Les ferroélectriques sont une classe spéciale de matériaux qui peuvent être commutés entre deux états de polarisation électrique opposés en appliquant un champ électrique externe. Cette propriété les rend idéales pour une utilisation dans divers appareils électroniques, tels que les puces mémoire et les capteurs.
Ces dernières années, le développement de ferroélectriques organiques comme alternative aux oxydes inorganiques a suscité un intérêt croissant. Les ferroélectriques organiques présentent de nombreux avantages par rapport aux oxydes inorganiques, notamment leur flexibilité, leur faible coût et leur facilité de traitement. Cependant, les ferroélectriques organiques sont généralement moins efficaces et moins stables que leurs homologues inorganiques.
Le nouveau matériau ferroélectrique organique développé par l'équipe dirigée par l'OIST est basé sur une molécule appelée [N-(4-bromobenzyl)-2,5-diméthylpyrrole-3-carboxamide]. Cette molécule fait partie d’une classe de composés appelés « triazoles », dont les propriétés ferroélectriques sont prometteuses.
Les chercheurs ont découvert que le nouveau matériau ferroélectrique organique à base de triazole avait une constante diélectrique élevée, qui mesure sa capacité à stocker l’énergie électrique. Le matériau présentait également un degré élevé de polarisation, ce qui témoigne de sa capacité à basculer entre ses deux états de polarisation électrique opposés.
De plus, le nouveau matériau ferroélectrique organique s’est révélé stable à haute température et sous des champs électriques élevés. Cela en fait un candidat prometteur pour une utilisation dans les appareils électroniques fonctionnant dans des conditions difficiles.
Le développement de ce nouveau matériau ferroélectrique organique constitue une avancée significative dans le domaine de l’électronique organique. Ce matériau pourrait potentiellement être utilisé dans divers appareils électroniques, tels que des puces mémoire, des capteurs et des dispositifs de stockage d'énergie.
Une équipe de recherche dirigée par le professeur Takeharu Sakurai de l'unité d'optique non linéaire de l'unité des matériaux et dispositifs de l'OIST a étudié une petite molécule organique et a découvert qu'elle avait une polarisation électrique élevée. Le résultat fournit une forte indication que le matériau pourrait devenir un ferroélectrique organique. La ferroélectricité est un phénomène dans lequel la polarisation électrique spontanée d'un matériau peut être inversée, souvent en appliquant un champ électrique. Par exemple, les matériaux ferroélectriques sont largement utilisés dans les condensateurs, qui stockent des charges électriques ou de l’énergie électrique, et dans les capteurs qui détectent les changements d’accélération, de mouvement ou de température.
Bien que les molécules organiques possèdent des propriétés électroniques, magnétiques, optoélectroniques et mécaniques intéressantes, les ferroélectriques organiques ont été difficiles à synthétiser en raison de leurs structures cristallines qui empêchent la formation d’une polarisation électrique spontanée.
Les oxydes ferroélectriques sont classiquement utilisés, mais il s'agit généralement de matériaux inorganiques composés d'ions métalliques et d'oxygène, et ils sont difficiles à traiter et vulnérables aux forces externes. Le développement d’un ferroélectrique organique composé de carbone, d’hydrogène, d’azote, d’oxygène, de soufre et d’autres éléments pourrait potentiellement résoudre ces problèmes.
Cependant, l’équipe dirigée par le professeur Sakurai a utilisé une petite molécule organique nommée [N-(4-bromobenzyl)-2,5-diméthylpyrrole-3-carboxamide] avec une structure en couches bidimensionnelle et a réussi à synthétiser le ferroélectrique organique. Le matériau synthétisé présente une polarisation électrique élevée à environ 8 micro-Coulombs par centimètre carré (μC/cm2) avec un champ électrique appliqué de 104 volts par micromètre (V/μm).
À titre de comparaison, l’équipe de recherche a évalué les ferroélectriques organiques et inorganiques rapportés précédemment et a constaté que le ferroélectrique organique synthétisé présente une polarisation électrique suffisamment élevée. Bien que la polarisation électrique du matériau synthétisé soit encore inférieure à celle des oxydes inorganiques ferroélectriques largement utilisés, elle est du même ordre que celle des polymères, qui sont des matériaux électroniques organiques largement utilisés.
Le professeur Sakurai vise à améliorer encore la polarisation électrique du ferroélectrique organique en modifiant la structure du matériau et en utilisant des dopants. "Pour obtenir une polarisation électrique comparable ou meilleure que celle des oxydes ferroélectriques inorganiques largement utilisés, cela prendra probablement un peu plus de temps", explique Sakurai. "Néanmoins, nous sommes optimistes quant à notre nouveau matériau ferroélectrique, qui pourrait être utilisé comme condensateur, capteur/actionneur piézoélectrique ou comme composant de dispositifs à mémoire organique non volatile à l'avenir."
