(PhysOrg.com) -- Les chercheurs ont mis au point une technique d'« infiltration de modèle souple » pour fabriquer des nanotubes ferroélectriques piézoélectriquement actifs autonomes et d'autres nanostructures à partir de PZT, un matériau attrayant en raison de sa grande réponse piézoélectrique. Développé au Georgia Institute of Technology, la technique permet la fabrication de nanostructures ferroélectriques avec des formes définies par l'utilisateur, l'emplacement et la variation du motif sur le même substrat.

Les structures résultantes, qui ont un diamètre extérieur de 100 à 200 nanomètres avec une épaisseur allant de 5 à 25 nanomètres, montrent une réponse piézoélectrique comparable à celle des films minces PZT de dimensions beaucoup plus importantes. La technique pourrait finalement conduire à la production de cristaux photoniques et phononiques activement accordables, émetteurs térahertz, récupérateurs d'énergie, micromoteurs, micropompes et capteurs nanoélectromécaniques, actionneurs et transducteurs – tous fabriqués à partir du matériau PZT.

En utilisant une nouvelle technique de caractérisation développée au Oak Ridge National Laboratory, les chercheurs ont pour la première fois effectué des mesures in situ de haute précision des propriétés piézoélectriques à l'échelle nanométrique des structures.

"Nous utilisons une nouvelle méthode de nano-fabrication pour créer des nanostructures tridimensionnelles avec des rapports d'aspect élevés dans des matériaux ferroélectriques qui ont des propriétés piézoélectriques attrayantes, " dit Nazanin Bassiri-Gharb, professeur adjoint à la Woodruff School of Mechanical Engineering de Georgia Tech. "Nous avons également tiré parti d'une nouvelle méthode de caractérisation disponible via Oak Ridge pour étudier la réponse piézoélectrique de ces nanostructures sur le substrat où elles ont été produites."

La recherche a été publiée en ligne le 26 janvier 2012, et est prévu pour la publication dans l'édition imprimée (Vol. 24, Numéro 9) de la revue Matériaux avancés . La recherche a été financée par les fonds de démarrage des nouveaux professeurs de Georgia Tech.

Les matériaux ferroélectriques à l'échelle nanométrique sont prometteurs pour un large éventail d'applications, mais les transformer en dispositifs utiles s'est avéré difficile - malgré le succès de la production de tels dispositifs à l'échelle micrométrique. Techniques de fabrication descendantes, tels que le broyage par faisceau d'ions focalisé, permettre une définition précise des dispositifs à l'échelle nanométrique, mais le processus peut induire des dommages de surface qui dégradent les propriétés ferroélectriques et piézoélectriques qui rendent le matériau intéressant.

Jusqu'à maintenant, les techniques de fabrication ascendantes ont été incapables de produire des structures avec à la fois des rapports d'aspect élevés et un contrôle précis de l'emplacement. La technique rapportée par les chercheurs de Georgia Tech permet la production de nanotubes en PZT (PbZr0.52Ti0.48O3) avec des rapports d'aspect allant jusqu'à 5 à 1.

« Cette technique nous donne un degré de contrôle sur le processus tridimensionnel que nous n'avions pas auparavant, », a déclaré Bassiri-Gharb. « Quand nous avons fait la caractérisation, nous avons vu un effet de taille qui jusqu'à présent n'avait été observé que dans des films minces de ce matériau à des échelles de taille beaucoup plus grandes.

Les nanotubes ferroélectriques sont particulièrement intéressants car leurs propriétés – notamment la taille, forme, réponses optiques et caractéristiques diélectriques - peuvent être contrôlées par des forces externes même après leur fabrication.

« Ce sont des matériaux vraiment intelligents, ce qui signifie qu'ils répondent à des stimuli externes tels que des champs électriques appliqués, champs thermiques ou champs de contraintes, », a déclaré Bassiri-Gharb. « Vous pouvez les régler pour qu'ils se comportent différemment. Les appareils fabriqués à partir de ces matériaux pourraient être réglés avec précision pour répondre à une longueur d'onde différente ou pour émettre à une longueur d'onde différente pendant le fonctionnement.

Par exemple, l'effet piézoélectrique pourrait permettre la fabrication de tubes « nano-musculaires » qui agiraient comme de minuscules pompes lorsqu'un champ électrique leur serait appliqué. Les champs pourraient également être utilisés pour régler les propriétés des cristaux photoniques, ou pour créer des structures dont la taille peut être légèrement modifiée pour absorber l'énergie électromagnétique de différentes longueurs d'onde.

Lors de la fabrication des nanotubes, Bassiri-Gharb et l'étudiante diplômée Ashley Bernal (actuellement professeure adjointe à l'Institut de technologie Rose-Hulman) ont commencé avec un substrat de silicium et y ont appliqué par centrifugation un matériau de résistance à faisceau d'électrons négatif. Un modèle a été créé en utilisant la lithographie par faisceau d'électrons, et une fine couche d'oxyde d'aluminium a été ajoutée au-dessus de celle en utilisant le dépôt de couche atomique.

Prochain, le gabarit a été immergé sous vide dans un bain à ultrasons contenant une solution de précurseur chimique pour le PZT. Les structures ont été pyrolysées à 300 degrés Celsius, puis recuit dans un processus de traitement thermique en deux étapes à 600 et 800 degrés Celsius pour cristalliser le matériau et décomposer le substrat polymère. Le processus a produit des nanotubes PZT autonomes reliés par une fine couche d'oxyde d'aluminium d'origine. L'augmentation de la quantité d'infiltration chimique permet la production de nanotiges ou de nanofils solides au lieu de nanotubes creux.

Bien que les chercheurs aient utilisé la lithographie par faisceau d'électrons pour créer le modèle sur lequel les structures ont été développées, en principe, beaucoup d'autres produits chimiques, des techniques de modelage optique ou mécanique pourraient être utilisées pour créer les modèles, a noté Bassiri-Gharb.

Dans des études réalisées en collaboration avec les chercheurs Sergei Kalinin et Alexander Tselev du Center for Nanophase Materials Sciences du Oak Ridge National Laboratory, les dispositifs produits par le processus de modèle souple ont été analysés par microscopie à force piézo-réponse à excitation de bande (BPFM). La technique a permis aux chercheurs d'isoler les propriétés de la pointe AFM de celles de l'échantillon PZT, permettant une analyse suffisamment détaillée pour détecter les effets piézoélectriques à l'échelle de la taille.

« L'une de nos observations les plus importantes est que ces nanomatériaux piézoélectriques nous permettent de générer un facteur de quatre à six d'augmentation de la réponse piézoélectrique extrinsèque par rapport à l'utilisation de films minces, », a déclaré Baassiri-Gharb. "Ce serait un énorme avantage en termes de fabrication, car cela signifie que nous pourrions obtenir la même réponse de structures beaucoup plus petites que celles que nous aurions dû utiliser autrement."