Des chercheurs du Département de science et d'ingénierie des matériaux du Technion ont réussi à modifier les propriétés électriques d'un matériau en évacuant un atome d'oxygène de la structure d'origine. Les applications possibles incluent la miniaturisation des appareils électroniques et la détection des rayonnements.

Quel est le point commun entre l'imagerie ultrasonore du fœtus, la communication mobile cellulaire, les micromoteurs et les mémoires informatiques à faible consommation d'énergie ? Toutes ces technologies sont basées sur des matériaux ferroélectriques, qui se caractérisent par une forte corrélation entre leur structure atomique et les propriétés électriques et mécaniques.

Les chercheurs du Technion-Israel Institute of Technology ont réussi à modifier les propriétés des matériaux ferroélectriques en évacuant un seul atome d'oxygène de la structure d'origine. Cette percée pourrait ouvrir la voie au développement de nouvelles technologies. La recherche a été dirigée par le professeur adjoint Yachin Ivry du Département de science et génie des matériaux, accompagné du chercheur postdoctoral Dr. Hemaprabha Elangovan et Ph.D. étudiante Maya Barzilay, et a été publié dans ACS Nano . Il est à noter que l'ingénierie d'une lacune d'oxygène individuelle pose un défi considérable en raison du poids léger des atomes d'oxygène.

Dans les matériaux ferroélectriques, un léger déplacement des atomes provoque des changements importants dans le champ électrique et dans la contraction ou la dilatation du matériau. Cet effet est le résultat du fait que l'unité répétitive de base dans le matériau contient des atomes qui sont organisés dans une structure asymétrique.

Afin d'expliquer cela plus en détail, les chercheurs utilisent le matériau ferroélectrique séminal, le titanate de baryum, dont les atomes forment une structure en réseau de type cubique. Dans ces matériaux, un phénomène unique se produit :l'atome de titane s'éloigne des atomes d'oxygène. Étant donné que le titane est chargé positivement et que l'oxygène est chargé négativement, cette séparation crée une polarisation, ou en d'autres termes, un moment dipolaire électrique.

Un réseau cubique a six faces, de sorte que les atomes chargés se déplacent dans l'une des six possibilités. Dans différentes parties du matériau, un grand nombre d'atomes voisins se déplacent dans la même direction et la polarisation dans chacune de ces zones, appelée domaine ferroélectrique, est uniforme. Les technologies traditionnelles sont basées sur le champ électrique créé dans ces domaines. Cependant, ces dernières années, de nombreux efforts ont été déployés pour minimiser la taille du dispositif et utiliser les frontières, ou murs, entre les domaines plutôt que les domaines eux-mêmes, et ainsi convertir les dispositifs de structures tridimensionnelles en structures bidimensionnelles. structures.

La communauté des chercheurs est restée divisée quant à ce qui se passe dans le monde bidimensionnel des murs de domaine :comment la frontière entre deux domaines de polarisation électrique différente est-elle stabilisée ? La polarisation dans les parois des domaines est-elle différente de la polarisation dans les domaines eux-mêmes ? Les propriétés de la paroi du domaine peuvent-elles être contrôlées de manière localisée ? Le grand intérêt d'aborder ces questions vient du fait qu'un matériau ferroélectrique dans sa forme naturelle est un excellent isolant électrique. Cependant, les parois du domaine peuvent être électriquement conductrices, formant ainsi un objet bidimensionnel contrôlable à volonté. Ce phénomène englobe la possibilité de réduire considérablement la consommation d'énergie des dispositifs de stockage et de traitement des données.

Dans ce projet, les chercheurs ont réussi à déchiffrer la structure atomique et le déploiement du champ électrique dans les parois de domaine à l'échelle atomique. Dans leur récent article, ils corroborent l'hypothèse selon laquelle les parois de domaine permettent l'existence d'une frontière bidimensionnelle entre les domaines en raison d'une lacune partielle d'oxygène dans les zones communes à deux domaines, permettant ainsi une plus grande flexibilité dans le déploiement du local champ électrique. Ils ont réussi à induire techniquement une vacance d'atome d'oxygène individuel et ont démontré que cette action crée des dipôles opposés et une plus grande symétrie électrique, une structure topologique unique appelée quadripôle.

À l'aide de simulations informatiques de Shi Liu de l'Université Westlake en Chine, les chercheurs ont démontré que l'ingénierie de la vacance de l'atome d'oxygène a un impact important sur les propriétés électriques du matériau non seulement à l'échelle atomique, mais également à l'échelle pertinente. aux appareils électroniques, par exemple en termes de conductivité électrique. L'importance est que la réalisation scientifique actuelle est susceptible d'aider à miniaturiser les dispositifs de ce type ainsi qu'à réduire leur consommation d'énergie.

En collaboration avec des chercheurs du Centre de recherche nucléaire du Néguev, le groupe de recherche du Technion a également démontré que les lacunes d'oxygène peuvent être créées en exposant le matériau à un rayonnement électronique. Par conséquent, en plus du potentiel technologique de la découverte en électronique, il peut également être possible d'utiliser l'effet pour les détecteurs de rayonnement, permettant la détection précoce et la prévention des accidents nucléaires, comme celui qui s'est produit en 2011 à Fukushima. , Japon. + Explorer plus loin

L'étude remet en question les idées standard sur la piézoélectricité dans les cristaux ferroélectriques