Cette image montre la topographie (au microscope à force atomique) d'un réseau de lignes PTO ferroélectrique cristallisé sur un film précurseur de 360 nanomètres d'épaisseur sur polyimide. La barre d'échelle correspond à un micron. Crédit :Avec l'aimable autorisation de Suenne Kim
En utilisant une technique connue sous le nom de nanolithographie thermochimique (TCNL), les chercheurs ont développé une nouvelle façon de fabriquer des structures ferroélectriques à l'échelle nanométrique directement sur des substrats en plastique souple qui seraient incapables de résister aux températures de traitement normalement requises pour créer de telles nanostructures.
La technique, qui utilise une pointe de microscope à force atomique (AFM) chauffée pour produire des motifs, pourrait faciliter la haute densité, production à faible coût de structures ferroélectriques complexes pour réseaux de récupération d'énergie, capteurs et actionneurs dans les systèmes nano-électromécaniques (NEMS) et les systèmes micro-électromécaniques (MEMS). La recherche a été publiée le 15 juillet dans le journal Matériaux avancés .
"Nous pouvons créer directement des matériaux piézoélectriques de la forme que nous voulons, où nous les voulons, sur des substrats flexibles pour une utilisation dans la récupération d'énergie et d'autres applications, " dit Nazanin Bassiri-Gharb, co-auteur de l'article et professeur adjoint à la School of Mechanical Engineering du Georgia Institute of Technology. "C'est la première fois que des structures comme celles-ci sont directement développées avec un processus compatible CMOS à une si petite résolution. Non seulement nous avons pu développer ces structures ferroélectriques à des températures de substrat basses, mais nous avons également pu les modeler à de très petites échelles."
La recherche a été parrainée par la National Science Foundation et le U.S. Department of Energy. En plus des chercheurs de Georgia Tech, le travail a également impliqué des scientifiques de l'Université de l'Illinois Urbana-Champaign et de l'Université du Nebraska Lincoln.
Les chercheurs ont produit des fils d'environ 30 nanomètres de large et des sphères d'environ 10 nanomètres de diamètre en utilisant la technique de modelage. Des sphères avec une application potentielle en tant que mémoire ferroélectrique ont été fabriquées à des densités dépassant 200 gigaoctets par pouce carré - actuellement le record pour ce matériau ferroélectrique de type pérovskite, dit Suenne Kim, le premier auteur de l'article et un boursier postdoctoral dans le laboratoire du professeur Elisa Riedo à la Georgia Tech's School of Physics.
Les matériaux ferroélectriques sont intéressants car ils présentent des réponses piézoélectriques génératrices de charges d'un ordre de grandeur supérieur à celles de matériaux tels que le nitrure d'aluminium ou l'oxyde de zinc. La polarisation des matériaux peut être facilement et rapidement modifiée, leur donnant une application potentielle en tant qu'éléments de mémoire vive.
Mais les matériaux peuvent être difficiles à fabriquer, nécessitant des températures supérieures à 600 degrés Celsius pour la cristallisation. Les techniques de gravure chimique produisent des tailles de grains aussi grandes que les caractéristiques à l'échelle nanométrique que les chercheurs aimeraient produire, tandis que les processus de gravure physique endommagent les structures et réduisent leurs propriétés attractives. Jusqu'à maintenant, ces défis nécessitaient la croissance de structures ferroélectriques sur un substrat monocristallin compatible avec des températures élevées, puis transféré sur un substrat flexible pour une utilisation dans la récupération d'énergie.
Le procédé de nanolithographie thermochimique, qui a été développé à Georgia Tech en 2007, relève ces défis en utilisant un chauffage extrêmement localisé pour former des structures uniquement là où la pointe AFM chauffée par résistance entre en contact avec un matériau précurseur. Un ordinateur contrôle l'écriture de l'AFM, permettant aux chercheurs de créer des motifs de matériau cristallisé là où ils le souhaitent. Pour créer des structures de récupération d'énergie, par exemple, des lignes correspondant aux nanofils ferroélectriques peuvent être tracées le long de la direction dans laquelle la contrainte serait appliquée.
"La chaleur de la pointe de l'AFM cristallise le précurseur amorphe pour fabriquer la structure, " expliqua Bassiri-Gharb. " Les motifs ne se forment que là où la cristallisation se produit. "
L'image au microscope électronique à balayage montre un grand réseau de lignes PZT cristallisé sur un film précurseur de 240 nanomètres d'épaisseur sur une plaquette de silicium platiné. Crédit :Avec l'aimable autorisation de Yaser Bastani
Pour commencer la fabrication, le matériau précurseur sol-gel est d'abord appliqué sur un substrat avec un procédé de revêtement par centrifugation standard, puis brièvement chauffé à environ 250 degrés Celsius pour chasser les solvants organiques. Les chercheurs ont utilisé du polyimide, substrats de verre et de silicium, mais en principe, tout matériau capable de résister à l'étape de chauffage à 250 degrés pourrait être utilisé. Les structures ont été faites à partir de Pb(ZrTi)O
« On chauffe encore le précurseur aux températures nécessaires à la cristallisation de la structure, mais l'échauffement est tellement localisé qu'il n'affecte pas le substrat, " expliqua Riedo, co-auteur de l'article et professeur agrégé à la Georgia Tech School of Physics.
Les pointes AFM chauffées ont été fournies par William King, professeur au Département des sciences mécaniques et du génie de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.
Comme prochaine étape, les chercheurs prévoient d'utiliser des matrices d'embouts AFM pour produire des zones à motifs plus grandes, et améliorez les conseils AFM chauffés pour fonctionner pendant de plus longues périodes. Les chercheurs espèrent également comprendre la science fondamentale derrière les matériaux ferroélectriques, y compris les propriétés à l'échelle nanométrique.
« Nous devons examiner la thermodynamique de croissance de ces matériaux ferroélectriques, " a déclaré Bassiri-Gharb. "Nous devons également voir comment les propriétés changent lorsque vous passez de l'échelle du volume à l'échelle du micron, puis à l'échelle du nanomètre. Nous devons comprendre ce qui arrive réellement aux réponses extrinsèques et intrinsèques des matériaux à ces petites échelles."
Finalement, des matrices d'embouts AFM sous contrôle informatique pourraient produire des dispositifs complets, offrant une alternative aux techniques de fabrication actuelles.
« La nanolithographie thermochimique est une technique de nanofabrication très puissante qui, par chauffage, est comme un stylo nanométrique qui peut créer des nanostructures utiles dans une variété d'applications, y compris les puces à protéines, puces à ADN, et des nanofils de type graphène, " a expliqué Riedo. " Nous nous attaquons vraiment au problème causé par les limitations existantes de la photolithographie à ces échelles de taille. Nous pouvons envisager de créer un dispositif complet basé sur la même technique de fabrication sans les exigences de salles blanches coûteuses et d'équipements sous vide. Nous nous dirigeons vers un processus dans lequel plusieurs étapes sont effectuées en utilisant le même outil pour modéliser à petite échelle. »
