Certains matériaux peuvent générer une petite tension lorsqu'ils sont pliés et, inversement, peut se plier en réponse à une tension. Ce phénomène est appelé flexoélectricité, et jusqu'à maintenant, on pensait que l'effet n'existait que dans les isolants électriques (matériaux qui ne conduisent pas l'électricité). Cependant, une équipe de recherche de l'Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) à Barcelone rapporte aujourd'hui dans un article dans La nature que les effets de type flexoélectrique sont plus omniprésents qu'on ne le pensait auparavant. Les chercheurs de l'ICN2 rapportent que les semi-conducteurs, qui peut être considéré comme à mi-chemin entre les isolants électriques et les métaux réels, génèrent également de l'électricité en réponse à la flexion.

Ceci est important car les semi-conducteurs sont une famille commune de matériaux couramment utilisés dans les transistors (le cœur des circuits intégrés) et les cellules photovoltaïques. Les nouveaux résultats montrent qu'il est en principe possible de les utiliser comme capteurs de pression et micro-générateurs électriques.

Les auteurs de l'étude sont le Dr Jackeline Narvaez, Doctorant Fabián Vásquez-Sancho, et le professeur de recherche ICREA Gustau Catalan.

Flexoélectricité généralisée

La flexoélectricité se produit à la suite de toute asymétrie dans la déformation d'un matériau. Plier un matériau force les atomes à se rapprocher à l'intérieur de la courbure, et plus éloignés à l'extérieur. Cette redistribution des atomes force la redistribution de leurs charges électriques, qui peut être exploitée pour établir un courant électrique entre l'intérieur et l'extérieur du virage.

Jusqu'à maintenant, on savait que tous les isolants électriques peuvent être flexoélectriques. La découverte surprenante des scientifiques de l'ICN2 est que les semi-conducteurs peuvent également être flexoélectriques - et en fait, ils peuvent générer plus de charge que les isolants. L'ingrédient clé de cette nouvelle électricité induite par la flexion se trouve dans la surface des matériaux.

La surface est l'appareil

Les La nature article, publié en ligne aujourd'hui, décrit comment les cristaux d'un matériau initialement isolant sont capables de générer 1000 fois plus d'électricité de flexion lorsqu'ils sont dopés pour devenir des semi-conducteurs. La raison en est que, bien que l'intérieur de ces cristaux devienne conducteur à cause du dopage, les surfaces restent isolantes. Cela signifie que les surfaces peuvent non seulement encore se polariser, mais en plus, ils reçoivent un coup de pouce de la charge supplémentaire de l'intérieur semi-conducteur.

Parce que la réponse électromécanique dans les semi-conducteurs est dominée par la surface plutôt que par la masse, les auteurs appellent cet effet « de type flexoélectrique ». La réponse est identique à la flexoélectricité d'un point de vue pratique - c'est un courant électrique généré en réponse à une flexion - mais différente du point de vue fondamental de son origine.

Il convient également de noter que la mesure de la réponse flexoélectrique de la surface est une étape scientifique importante en soi. Dans toutes les mesures précédentes, qui ont été réalisées dans des isolants au lieu de semi-conducteurs, le signal de surface était toujours mélangé avec le signal de masse provenant de l'intérieur du cristal. C'est la première fois que la réponse de la surface est mesurée séparément.

Les semi-conducteurs flexoélectriques sont également compétitifs à l'échelle macroscopique

La flexoélectricité traditionnelle (c'est-à-dire la flexoélectricité des isolants) est importante à l'échelle nanométrique. Jusqu'à maintenant, cependant, ce n'était pas pratique à l'échelle macro. Au lieu, l'effet dominant à l'échelle macro était la piézoélectricité, où certains matériaux génèrent de l'électricité en réponse à la compression, plutôt que de se pencher. La raison en est que les matériaux sont beaucoup plus difficiles à plier lorsqu'ils sont épais (à l'échelle macro) que lorsqu'ils sont minces (à l'échelle nanométrique), ce qui est intuitif - pensez à quel point il est plus difficile de plier un livre de 1000 pages que de plier une feuille de papier.

Cependant, la réponse de type flexoélectrique des semi-conducteurs a une caractéristique importante :elle augmente avec l'épaisseur du matériau. Ainsi, la perte de flexibilité est compensée par l'augmentation de la flexoélectricité, et cela permet un rendement compétitif indépendamment de l'épaisseur de l'appareil. Surtout, cette réponse de type flexoélectrique peut en principe être présente dans tout matériau semi-conducteur, alors que la piézoélectricité n'est possible que dans un nombre limité de matériaux, dont les meilleurs sont à base de plomb et donc toxiques.

Les auteurs sont tellement convaincus de l'utilité potentielle de leur découverte qu'ils ont déposé un brevet et recherchent actuellement des partenaires industriels pour développer des applications technologiques de la flexoélectricité semi-conductrice.