Lorsqu'un magicien retire soudainement une nappe d'une table chargée d'assiettes et de verres, il y a un moment de suspense alors que le public se demande si la scène ne sera bientôt pas jonchée de verre brisé. Jusqu'à présent, un dilemme analogue s'était posé aux scientifiques travaillant avec des bulles électriques spéciales pour créer la prochaine génération de dispositifs microélectroniques et de stockage d'énergie flexibles.

Des scientifiques du laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie (DOE) ont découvert une nouvelle façon de réaliser une version à l'échelle atomique de l'astuce de la nappe en décollant des films minces à hétérostructure contenant des bulles électriques à partir d'un matériau sous-jacent particulier, ou substrat, tout en les gardant parfaitement intacte. Cette découverte pourrait nous rapprocher d'une foule d'applications qui reposent sur ces structures inhabituelles et fragiles.

"Vous pouvez y penser comme essayer de retirer une maison de ses fondations. Normalement, vous penseriez que la maison s'effondrerait, mais nous avons constaté qu'elle conservait toutes ses propriétés", a déclaré Saidur Bakaul, scientifique des matériaux à Argonne

"Les bulles sont très fragiles et ont initialement besoin de matériaux sous-jacents particuliers, appelés substrats, et de conditions spécifiques pour faire pousser des films avec elles", a déclaré le scientifique des matériaux d'Argonne, Saidur Bakaul. "Il existe de nombreux matériaux qui nous intéressent pour lesquels ces bulles pourraient être extrêmement utiles, comme les plastiques. Cependant, nous n'avons pas été en mesure de les faire pousser directement sur ces matériaux. Notre recherche est la première étape pour rendre les bulles possibles là-bas."

Les bulles électriques se retrouvent dans une structure ultrafine à trois couches aux propriétés électriques alternées :ferroélectrique, puis diélectrique, puis à nouveau ferroélectrique. Les bulles de cette structure multicouche sont constituées de dipôles spécialement ordonnés ou de charges électriques jumelées. L'orientation de ces dipôles est basée sur la contrainte locale dans le matériau et les charges sur la surface qui amènent les dipôles à rechercher leur état d'énergie relativement le plus bas. Finalement, les bulles électriques (domaines de bulles) se forment mais seulement lorsque certaines conditions sont remplies. Ils sont également facilement déformés même par de petites forces.

Dans l'expérience, les collègues de Bakaul à l'Université de Nouvelle-Galles du Sud ont d'abord fait croître les bulles dans un film hétérostructure ultra-mince sur un substrat de titanate de strontium, l'un des matériaux les plus faciles à créer. Ensuite, Bakaul a relevé le défi de retirer l'hétérostructure du substrat tout en conservant les bulles. "Vous pouvez y penser comme essayer de retirer une maison de ses fondations", a-t-il déclaré. "Normalement, on aurait pu penser que la maison s'effondrerait, mais nous avons constaté qu'elle conservait toutes ses propriétés."

Les domaines de bulles sont minuscules. Ils ne mesurent qu'environ 4 nanomètres de rayon, soit la largeur d'un brin d'ADN humain. Par conséquent, ils sont difficiles à voir. Dans la division Science des matériaux d'Argonne, des techniques avancées de microscopie à sonde à balayage avec analyse par transformée de Fourier permettent aux scientifiques non seulement de les voir, mais également de quantifier leurs propriétés dans les films autoportants.

Pour établir que les domaines de bulles sont restés intacts, Bakaul a mesuré leurs propriétés électroniques (capacité) et piézoélectriques grâce à deux techniques de microscopie :la microscopie à micro-ondes à balayage d'impédance et la microscopie à force de réponse piézoélectrique. Si les bulles s'étaient désintégrées, la capacité aurait changé sous une tension appliquée, mais Bakaul a vu qu'elle restait relativement stable jusqu'à une tension assez élevée.

Ces expériences ont validé des estimations numériques de capacité obtenues à partir d'analyses théoriques que Bakaul et son étudiant ont développées en combinant des simulations atomistiques avec la théorie des circuits. "La combinaison de l'expérience et de la simulation a prouvé de manière concluante que ces bulles sont capables de vivre même lorsqu'elles sont retirées du substrat d'origine. C'était quelque chose que nous espérions réaliser depuis longtemps", a déclaré Bakaul.

Lorsque les bulles ont été retirées, le film à hétérostructure - qui était auparavant à plat comme une nappe - a soudainement pris une apparence ondulée. Bien que Bakaul ait noté que beaucoup pourraient supposer que ce changement altérerait les propriétés des bulles, il a découvert que les bulles étaient en fait protégées par un changement de la tension intégrée des matériaux. Des simulations atomiques réalisées par les collègues de Bakaul à l'Université de l'Arkansas ont suggéré que l'énergie élastique aux interfaces libres est à l'origine de la formation d'ondulations.

Le résultat est passionnant, selon Bakaul, car ces bulles ont des propriétés électriques et mécaniques inhabituelles et intrigantes. "Les bulles ferroélectriques sont des objets à l'échelle nanométrique récemment découverts", a-t-il déclaré. "Il existe un consensus dans la communauté sur le fait qu'ils peuvent avoir de nombreuses applications. Par exemple, la transformation de ces bulles entraîne une réponse électromécanique inhabituellement élevée, qui peut avoir des applications dans une large gamme d'appareils dans les applications de la microélectronique et de l'énergie."

Bien que ce soit la physique et non la magie qui ait créé une nouvelle voie potentielle pour l'intégration de ces bulles, Bakaul a indiqué que les nouvelles technologies basées sur elles pourraient avoir un impact transformateur. "Qu'il s'agisse de récupérateurs d'énergie ou de supercalculateurs, ces bulles pourraient faire une grande différence pour de nombreux matériaux et applications différents", a-t-il déclaré.

Un article basé sur la recherche a été publié dans le numéro du 19 septembre de Advanced Materials. + Explorer plus loin

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