Vers un monde équitable et durable

Qu'ont en commun l'imagerie ultrasonore d'un fœtus, la téléphonie mobile, les micromoteurs et les mémoires d'ordinateur 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 leurs propriétés électriques et mécaniques.

Des chercheurs du Technion ont réussi à modifier les propriétés de matériaux ferroélectriques en libérant un atome d'oxygène de la structure originale. Cette percée pourrait ouvrir la voie au développement de nouvelles technologies. Les recherches ont été dirigées par le professeur adjoint Yachin Ivry du département de science et de génie des matériaux, accompagné du chercheur postdoctoral Hemaprabha Elangovan et de l'étudiante en doctorat Maya Barzilay, et ont été publiées dans ACS Nano. Il est à noter que ces recherches représentent 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 l'expansion du matériau. Cet effet résulte du fait que l'unité répétitive de base du matériau contient des atomes qui sont organisés selon une structure asymétrique.

Afin d'expliquer ce phénomène, les chercheurs utilisent le matériau ferroélectrique de base, le titanate de baryum, dont les atomes forment une structure réticulaire de type cubique. Dans ces matériaux, un phénomène unique se produit : l'atome de titane s'éloigne des atomes d'oxygène. Comme le titane est chargé positivement et que l'oxygène est chargé négativement, cette séparation crée une polarisation, autrement dit un moment dipolaire.

Un réseau cubique possède six faces, les atomes chargés se déplacent donc 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, que l'on appelle un domaine ferroélectrique, est uniforme.  Les technologies traditionnelles sont basées sur le champ électrique créé dans ces domaines. Toutefois, ces dernières années, de nombreux efforts ont été déployés pour minimiser la taille du dispositif et utiliser les frontières, ou parois, entre les domaines plutôt que les domaines eux-mêmes, et ainsi convertir les dispositifs de structures tridimensionnelles en structures bidimensionnelles.

La communauté des chercheurs est restée divisée quant à ce qui se passe dans le monde bidimensionnel des parois des domaines : Comment la frontière entre deux domaines ayant une polarisation électrique différente est-elle stabilisée ? La polarisation dans les parois de domaine 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 de répondre à 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 conductrices d'électricité, formant ainsi un objet bidimensionnel contrôlable par la volonté. Ce phénomène recèle le potentiel 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 domaines à l'échelle atomique. Dans leur récent article, ils corroborent l'hypothèse selon laquelle les parois de domaines permettent l'existence d'une frontière bidimensionnelle entre les domaines en raison de la vacance partielle de l'oxygène dans les zones communes à deux domaines, permettant ainsi une plus grande flexibilité dans le déploiement du champ électrique local. Ils ont réussi à induire par ingénierie une vacance individuelle d'un atome d'oxygène 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 réalisées par 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 aussi à l'échelle pertinente pour les dispositifs électroniques - par exemple, en termes de conductivité électrique. La présente réalisation scientifique est susceptible de contribuer à la miniaturisation des dispositifs de ce type et à la réduction de 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 vacances d'oxygène peuvent être fabriquées en exposant le matériau à un rayonnement électronique. Par conséquent, outre le potentiel technologique de cette découverte dans le domaine de l'électronique, il pourrait également être possible d'utiliser cet effet pour des détecteurs de rayonnement, permettant ainsi la détection précoce - et la prévention - d'accidents nucléaires, comme celui qui s'est produit en 2011 à Fukushima, au Japon.

La recherche, qui a été menée au Centre de microscopie électronique de la Faculté de science et d'ingénierie des matériaux, a été financée par la Fondation scientifique israélienne et la Fondation Pazy. Le laboratoire des structures fonctionnelles nanométriques et quantiques, dirigé par le professeur adjoint Ivry, est soutenu par le programme Zuckerman STEM Leadership.

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