« Dans nos recherches, nous avons appliqué une contrainte anisotrope à notre film. Cela signifie que la contrainte appliquée est différente selon la direction dans laquelle vous regardez, et cela peut créer des états de contrainte compliqués qui forcent les films à entrer dans de nouvelles phases, " dit le premier auteur Oliver Paull (UNSW).

BiFeO 3 (ou BFO) revendique un résumé impressionnant de propriétés multifonctionnelles, dont la piézoélectricité, ferroélectricité, magnétisme et propriétés optiques.

Le BFO est sans doute le matériau magnétoélectrique le plus populaire pour les chercheurs (c. un matériau qui a un ordre à la fois magnétique et électrique qui peut s'influencer mutuellement).

Les matériaux magnétoélectriques sont très intéressants pour les applications de spintronique et de mémoire car le couplage entre magnétisme et ferroélectricité promet des technologies à basse énergie. (L'écriture de données avec un champ électrique est beaucoup plus efficace que l'écriture avec un champ magnétique.)

Non seulement le BFO est magnétoélectrique, mais c'est l'un des très rares matériaux magnétoélectriques à température ambiante, le rendant viable pour une utilisation dans des applications telles que l'électronique future à faible consommation d'énergie, sans avoir besoin d'un cryo-refroidissement énergivore.

Seuls très peu de matériaux multiferroïques (c. matériaux qui ont à la fois un ordre magnétique et électrique) présentent ces propriétés utiles à température ambiante.

De plus, BFO possède d'autres propriétés fonctionnelles :piézoélectricité, ferroélectricité, effets photovoltaïques, et plus. C'est aussi sans plomb, ce qui lui confère un net avantage par rapport à la plupart des matériaux piézoélectriques performants, qui contiennent malheureusement du plomb toxique.

Matériaux piézoélectriques, qui peut convertir la pression mécanique en énergie électrique, ont de larges applications en tant que capteurs à ultra-haute sensibilité dans des appareils tels que les capteurs de mouvement pour smartphones et les stimulateurs cardiaques (où éviter les matériaux toxiques est un avantage).

En utilisant des substrats très mal coupés, l'équipe de recherche a poussé le BFO dans une nouvelle phase qui est essentiellement le lien entre les phases bien connues de type rhomboédrique et tétragonale.

Cette, couplée aux propriétés de symétrie de la phase, lui permet d'être facilement influencé par les champs électriques.

« Nous avons parcouru la littérature et constaté que tout le monde utilise des orientations de substrat commerciales assez standard, " explique l'enquêteur en chef Daniel Sando. "Nous avons demandé à nos fournisseurs de créer sur mesure différentes orientations d'erreur de coupe entre les orientations standard, qui a conduit à la découverte de la nouvelle phase. Nous nous sommes demandé si la raison pour laquelle les gens n'avaient pas fait cela auparavant est que la cristallographie impliquée dans ces erreurs est plutôt complexe et peut être intimidante."

La collaboration internationale entre les chercheurs d'Oak Ridge National Lab, Université de l'Arkansas, et l'Université Monash, ont utilisé des calculs théoriques et une suite de techniques expérimentales pour montrer que cette nouvelle phase a une réponse électromécanique beaucoup plus élevée que le BFO traditionnel.

"Nous montrons en outre des preuves solides que cette phase à faible symétrie peut être convertie en une phase à symétrie supérieure à l'aide d'un champ électrique, et par conséquent peut améliorer encore la réponse électromécanique d'un facteur 3, " dit Olivier Paull.

Un outil polyvalent :appliquer l'approche à une large gamme de matériaux oxydes

L'un des aspects les plus attrayants de cette découverte est sa méthodologie générale et son applicabilité à une large classe de systèmes de matériaux.

"Nous avons choisi de nous concentrer sur BiFeO 3 en raison de son ferroélectrique, magnétique, et propriétés piézoélectriques, mais l'approche est facilement applicable à d'autres oxydes de pérovskite, " dit Olivier Paull.

« Nous explorons actuellement l'effet de ces substrats à haut indice sur des systèmes purement ferroélectriques ou magnétiques, mais les possibilités d'utilisation de cette technique sont immenses. Nous nous attendons à trouver des phases à faible symétrie de matériaux optiquement intéressants, ainsi que de nouveaux arrangements de domaines en ferroélectrique, pour n'en nommer que quelques-uns, " a noté Laurent Bellaiche, la direction théorique du projet."

"Si vous avez affaire à l'épitaxie, alors cette technique anisotrope pourrait s'avérer très fructueuse pour vos recherches, " dit Daniel Sando.

"Cette étude n'est qu'un début. Nous prévoyons de combiner cette approche d'épitaxie anisotrope aux super-réseaux d'oxydes (couches répétées de compositions différentes, c'est-à-dire A-B-A-B, etc.), ainsi que de combiner les structures cristallines à faible symétrie avec d'autres voies établies pour améliorer la réponse piézoélectrique, y compris la substitution par des éléments de terres rares, par exemple. Finalement, puisque BFO est multiferroïque, nous avons une série d'études magnétiques prévues pour cette nouvelle phase à faible symétrie. » Dit Nagy Valanoor, chef de laboratoire de l'UNSW.

Il existe des applications possibles encore plus larges :les piézoélectriques utilisés dans les capteurs et les actionneurs sont généralement des composés à base de plomb en vrac. Bien que la nouvelle approche soit de niche et très axée sur la recherche, les nouvelles méthodes pourraient fonctionner dans des industries telles que les nano-actionneurs ou les capteurs. L'aspect clé est l'utilisation de l'approche d'épitaxie anisotrope pour 1) générer une phase de faible symétrie, et 2) faciliter les améliorations en réponse ; dans ce cas, le coefficient piézoélectrique.

"La stabilisation épitaxiale anisotrope d'un ferroélectrique à faible symétrie avec une réponse électromécanique améliorée" a été publiée dans Matériaux naturels en septembre 2020.