Les atomes dans un matériau fabriqué par l'homme, oxyde de fer bismuth (BiFeO3, ou BFO), composé de bismuth (boules bleues), le fer (boules rouges) et l'oxygène (boules vertes) peuvent être déplacés entre un rhomboédrique en forme de cube (R) et un prisme rectangulaire ou un arrangement tétragonal (T) en appliquant une tension électrique locale. Les chercheurs ont utilisé un microscope à force atomique pour induire et détecter ce changement structurel dans les volumes microscopiques en mesurant un changement de rigidité du matériau. C'est-à-dire, le matériau devient plus mou lorsqu'il est étiré de la structure rhomboédrique à la structure tétragonale. Le contrôle de la rigidité des matériaux est important pour sa fonction dans des appareils tels que les microphones, actionneurs, commutateurs, et capteurs. Crédit :Département américain de l'Énergie
En utilisant une aiguille beaucoup plus fine qu'un cheveu humain, les scientifiques ont révélé comment contrôler la rigidité mécanique dans un matériau prometteur. L'équipe a appliqué un champ électrique avec une aiguille de taille nanométrique pour provoquer un changement réversible dans la disposition des atomes dans le matériau. Ce changement est une transition de phase. L'équipe a reconfiguré le microscope à force atomique qu'elle a utilisé pour mesurer le changement résultant des propriétés mécaniques du matériau, avec jusqu'à 30 pour cent de changement.
La capacité de contrôler et de mesurer les propriétés mécaniques pourrait conduire à des matériaux prometteurs pour l'acoustique avancée (par exemple, microphones) et appareils à micro-ondes. Aussi, les scientifiques pourraient utiliser cette nouvelle technique pour révéler de nouvelles règles physiques pour les transitions dans la structure atomique d'un matériau. Les scientifiques pourraient appliquer ces règles pour identifier de nouveaux matériaux pour les actionneurs, commutateurs, capteurs de champ magnétique, et la mémoire de l'ordinateur.
Lorsqu'un matériau subit un changement de phase, sa structure atomique est réorientée, et de nombreuses propriétés fondamentales des matériaux peuvent être modifiées, y compris la rigidité mécanique. Cela signifie que le matériau peut devenir plus dur ou plus mou, ce qui est une considération importante pour les applications qui utilisent des vibrations matérielles telles que des capteurs ou d'autres matériaux électroniques. Traditionnellement, les scientifiques ont étudié les changements de phase et les propriétés mécaniques avec la diffusion des neutrons et des tests mécaniques; Malheureusement, ces techniques ne peuvent pas mesurer les réponses de ces matériaux à l'échelle nanométrique. Finalement, la microstructure à l'échelle nanométrique et la fonctionnalité résultante doivent être comprises pour expliquer et améliorer les performances de l'appareil.
Des chercheurs dirigés par le laboratoire national d'Oak Ridge ont utilisé une technique de microscopie à force atomique (AFM) pour révéler les changements induits par la tension dans la rigidité du matériau dans l'un des matériaux multifonctionnels les plus étudiés, l'oxyde de fer bismuth (BiFeO3). L'utilisation d'une technique AFM multifréquence permet l'application d'une tension à des échelles de longueur nanométrique et trouve une transition de phase comme origine du changement de rigidité du matériau. Sous une tension appliquée, Une accordabilité de rigidité géante a été trouvée. C'est-à-dire, la rigidité du matériau a changé de manière réversible sur 30 pour cent, un changement assez spectaculaire pour ces matériaux. Le couplage avec la modélisation a permis une compréhension plus fine du phénomène observé lorsque le matériau devient plus mou sous une tension appliquée. Cette découverte et cette compréhension détaillée des processus à l'échelle nanométrique pourraient avoir des applications dans des dispositifs avancés, des microphones hautes performances aux nouveaux types de mémoire électronique ainsi que de nouvelles techniques d'imagerie pour sonder la physique liée aux transitions matérielles.
