En adoptant une approche « bottom-up », des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont observé pour la première fois que « la taille compte » en ce qui concerne la « pyroélectricité » - le courant/la tension développés en réponse aux fluctuations de température qui permettent des technologies telles que les capteurs infrarouges, vision nocturne, et unités de conversion d'énergie, pour n'en nommer que quelques-uns.

« Contrôler et manipuler la chaleur pour des applications telles que la récupération d'énergie thermique résiduelle, technologies de refroidissement intégrées, émission d'électrons, et les fonctions connexes est un domaine d'étude passionnant aujourd'hui, " a expliqué Lane Martin, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à l'Illinois. "Traditionnellement, ces systèmes se sont appuyés sur des matériaux en vrac, mais les futurs dispositifs nanométriques nécessiteront de plus en plus des films minces ferroélectriques.

"La mesure de la réponse pyroélectrique des couches minces est difficile et a restreint la compréhension de la physique de la pyroélectricité, incitant certains à l'étiqueter comme « l'une des propriétés les moins connues des matériaux solides », " Martin a ajouté. "Ce travail fournit la modélisation et l'étude expérimentale les plus complètes et les plus détaillées de cette région de matériaux largement inconnue et a des implications directes pour les appareils de la prochaine génération."

Les chercheurs ont découvert que la réduction des dimensions des ferroélectriques augmente leur sensibilité aux effets induits par la taille et la déformation. Le papier du groupe, « Effet des parois de domaine à 90 degrés et de l'inadéquation de la dilatation thermique sur les propriétés pyroélectriques du PbZr épitaxié 0,2 Ti 0,8 O 3 Films minces, " apparaît dans le journal Lettres d'examen physique .

"Ce que nous avons fait dans ce travail était de développer une nouvelle approche pour utiliser et comprendre une classe de matériaux importants pour toutes ces applications, " a déclaré Martin. " En passant à une approche " ascendante " qui produit des versions à l'échelle nanométrique de ces matériaux sous forme de films minces, nous avons observé, pour la première fois, que certaines caractéristiques, à savoir les murs de domaine, peut être incroyablement important et même dominer la réponse et les performances dépendantes de la température de ces matériaux. »

Selon J. Karthik, le premier auteur de l'article du groupe, l'épitaxie en couche mince a été développée pour fournir un ensemble de paramètres (par exemple, composition de films, déformation épitaxiale, conditions aux limites électriques, et épaisseur) qui permettent un contrôle précis des ferroélectriques et ont joué un rôle déterminant dans la compréhension de la physique des effets diélectriques et piézoélectriques.

"Nous avons étudié la contribution des parois de domaine à 90º et de l'inadéquation de la dilatation thermique à la pyroélectricité dans le PbZr ferroélectrique 0,2 Ti 0,8 O 3 Films minces, un matériau largement utilisé dont les propriétés ferroélectriques et piézoélectriques en vrac sont bien comprises, " expliqua Karthik. Dans le cadre de ce travail, Le groupe de recherche Prometheus de Martin a développé et appliqué les premiers modèles phénoménologiques pour inclure les contributions extrinsèques et secondaires à la pyroélectricité dans les films polydomaines et prédire des contributions extrinsèques significatives (provenant du mouvement dépendant de la température des parois des domaines) et des contributions secondaires importantes (provenant du décalage de dilatation thermique entre le film et le substrat).

"Nous avons également développé et appliqué un nouveau processus de mesure de courant pyroélectrique sensible à la phase pour mesurer des films minces pour la première fois et révéler une augmentation spectaculaire du coefficient pyroélectrique avec une fraction croissante de domaines orientés dans le plan et un décalage de dilatation thermique compatible avec ces modèles , " dit Karthik.

"En établissant une compréhension de la science de ces effets, avec des modèles pour prédire leurs performances, et des techniques démontrées pour fabriquer et utiliser ces propriétés dans des versions nanométriques de ces matériaux, leurs propriétés peuvent être efficacement intégrées dans l'électronique existante, " dit Martin.