La microscopie à force piézoélectrique (PFM) est la technique la plus répandue pour caractériser les propriétés piézoélectriques à l'échelle nanométrique, c'est à dire., pour déterminer la capacité de certains matériaux à générer de l'électricité lorsqu'ils sont soumis à des contraintes mécaniques et se déforment en réponse à une tension. La piézoélectricité est utilisée dans une grande variété d'applications, y compris les échographies de grossesse, moteurs à injection, capteurs qui mesurent les déformations, actionneurs et sonar, entre autres. La microscopie à force piézoélectrique détermine non seulement si un matériau est piézoélectrique, mais aussi son degré de piézoélectricité, et il est particulièrement important pour les applications de ces matériaux en microélectronique et en nanotechnologie.

Maintenant, une équipe de chercheurs du Laboratoire de méthodes computationnelles et d'analyse numérique (LaCàN) de l'Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC) et de l'Institut catalan des nanosciences et nanotechnologies (ICN2) a démontré théoriquement et expérimentalement que la technique PFM peut générer de faux positifs lorsque la piézoélectricité d'un matériau est mesurée à l'échelle nanométrique. La technique PFM consiste à appliquer une tension à la surface d'un matériau via une pointe électriquement conductrice dans un microscope à force atomique (AFM). La pointe microscopique détecte elle-même la déformation du matériau en réponse à la tension; le coefficient piézoélectrique est obtenu en divisant la déformation par la tension. Les chercheurs montrent, cependant, que l'application d'une tension avec une pointe nanoscopique peut générer des déformations dans n'importe quel matériau, piézoélectrique ou non. En d'autres termes, tout matériau mesuré au microscope à force piézoélectrique donne un coefficient piézoélectrique non nul, même s'il n'est pas piézoélectrique.

La cause de ce comportement curieux est la flexoélectricité, un phénomène qui se produit à l'échelle nanométrique par lequel tout matériau émet une faible tension lorsqu'une pression inhomogène lui est appliquée, soit il se déforme lorsqu'un champ électrique inhomogène lui est appliqué. C'est précisément le genre de champ généré par les pointes microscopiques.

La flexoélectricité peut non seulement faire apparaître à tort un matériau piézoélectrique, mais peut aussi altérer le coefficient piézoélectrique des matériaux piézoélectriques. Ceci a des conséquences très importantes pour la caractérisation des dispositifs piézoélectriques en microélectronique. Les résultats impliquent qu'à partir de maintenant, les mesures réalisées avec la PFM pour caractériser les matériaux de ces dispositifs doivent prendre en compte l'effet de la flexoélectricité.

"Nous étudions la flexoélectricité du point de vue informatique, qui implique de nombreuses manifestations fondamentales de la physique, " explique Irene Arias, chercheuse au LaCàN, ajouter, "Nous avons découvert que la technique PFM peut présenter des faux positifs car elle ne mesure pas seulement la piézoélectricité, c'est-à-dire la réponse à un champ électrique, mais aussi la flexoélectricité. Nous avons développé un modèle qui nous permet de quantifier ces réponses et, donc, pour séparer la partie piézoélectrique de la partie flexoélectrique."