Les antiferroélectriques plus fins deviennent ferroélectriques

Réduits au-delà d'une certaine taille, les matériaux antiferroélectriques deviennent ferroélectriques. Ce nouveau résultat, de chercheurs aux États-Unis et en France, montre que la réduction de taille pourrait être utilisée pour activer des propriétés inattendues dans les matériaux oxydes et en fait une gamme d'autres systèmes technologiquement importants.

Les matériaux antiferroélectriques sont constitués d'unités se répétant régulièrement, chacune ayant un dipôle électrique - une charge positive associée à une charge négative. Ces dipôles alternent à travers la structure cristalline du matériau et un tel espacement régulier signifie que les antiferroélectriques ont une polarisation nette nulle à l'échelle macroscopique.

Bien que les ferroélectriques soient également cristallins, ils ont généralement deux états stables avec deux polarisations électriques égales et opposées. Cela signifie que les dipôles des unités répétitives pointent tous dans la même direction. La polarisation des dipôles dans un matériau ferroélectrique peut également être inversée en appliquant un champ électrique.

Grâce à ces propriétés électriques, les antiferroélectriques peuvent être utilisés dans des applications de stockage d'énergie à haute densité tandis que les ferroélectriques sont bons pour le stockage de mémoire.

Sonder directement la transition de phase liée à la taille

Dans leur travail, qui est détaillé dans Matériaux avancés, les chercheurs dirigés par Ruijuan Xu of Université de Caroline du Nord ont étudié le niobite de sodium antiferroélectrique (NaNbO₃). Alors que des études théoriques antérieures prévoyaient qu'il devrait y avoir une transition de phase antiferroélectrique à ferroélectrique lorsque ce matériau était rendu plus mince, un tel effet de taille n'avait pas été vérifié expérimentalement. En effet, il était difficile de séparer complètement l'effet d'autres phénomènes, tels que la contrainte résultant de l'inadéquation du réseau entre le film de matériau et le substrat sur lequel il avait été développé.

Pour surmonter ce problème, Xu et ses collègues ont soulevé le film du substrat en introduisant une couche sacrificielle (qu'ils ont ensuite dissoute) entre les deux matériaux. Cette méthode leur a permis de minimiser l'effet de substrat et de sonder directement la transition de phase liée à la taille dans le matériau antiferroélectrique.

Les chercheurs ont découvert que lorsque le NaNbO₃ les films étaient plus minces que 40 nm, ils sont devenus complètement ferroélectriques, et qu'entre 40 nm et 164 nm, le matériau contient des phases ferroélectriques dans certaines régions et des phases antiferroélectriques dans d'autres.

Découverte passionnante

"L'une des choses passionnantes que nous avons découvertes était que lorsque les couches minces se trouvaient dans la plage où il y avait à la fois des régions ferroélectriques et antiferroélectriques, nous pouvions rendre les régions antiferroélectriques ferroélectriques en appliquant un champ électrique", explique Xu. « Et ce changement n'était pas réversible. En d'autres termes, nous pourrions rendre le film mince complètement ferroélectrique à des épaisseurs allant jusqu'à 164 nm.

Selon les chercheurs, les changements de phase qu'ils ont observés dans des matériaux antiferroélectriques très fins se produisent lorsque la surface des films se déforme. Les instabilités à la surface ondulent dans tout le matériau, ce qui n'est pas possible lorsque le matériau est plus épais.

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"Notre travail montre que ces effets de taille peuvent être utilisés comme un bouton de réglage efficace pour activer des propriétés inattendues dans les matériaux d'oxyde", a déclaré Xu. Monde de la physique. "Nous nous attendons à découvrir des phénomènes plus émergents dans d'autres systèmes de membranes d'oxyde utilisant ces effets."

Les chercheurs disent travailler à la fabrication de NaNbO₃ dispositifs à base de couches minces pour sonder les propriétés électriques à l'échelle macroscopique. "Nous espérons pouvoir manipuler la stabilité de phase et obtenir des propriétés électriques améliorées dans ces dispositifs, ce qui sera utile pour des applications potentielles", déclare Xu.

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• La source: https://physicsworld.com/a/thinner-antiferroelectrics-become-ferroelectric/