Une mémoire électrique de taille nanométrique grâce aux ferroélectriques ?
La théoricienne des matériaux Chiara Gattinoni étudie avec le superordinateur "Piz Daint" du CSCS une classe spéciale de matériaux : les ferroélectriques. Ces matériaux pourraient à l'avenir constituer le cœur de mémoires de données miniaturisées et économes en énergie dans les appareils électriques. L'un des ferroélectriques analysés par la chercheuse de l'ETH est, selon elle, quasiment magique.
Les appareils électroniques actuels, tels que les ordinateurs ou les smartphones, reposent sur deux composants physiques de base : les matériaux électriques, qui traitent les informations, et les matériaux magnétiques, qui les stockent. Le stockage magnétique des données nécessite toutefois une bonne dose d'énergie, car il requiert des champs magnétiques générés par des aimants relativement grands. En revanche, la production de champs électriques nécessite beaucoup moins d'énergie. Une mémoire électrique pourrait réduire considérablement les besoins en énergie des futurs appareils électroniques.
C'est pourquoi Chiara Gattinoni, boursière Marie Curie, et ses collègues du groupe de théorie des matériaux de la professeure de l'ETH Nicola Spaldin étudient ce qu'on appelle les ferroélectriques. Les théoriciennes des matériaux veulent développer de nouveaux matériaux dotés de fonctionnalités qui n'existent pas encore. Dans ce contexte, les ferroélectriques sont particulièrement intéressants car ils possèdent une propriété spéciale : une polarisation électrique qui leur est inhérente et qui peut être inversée par un champ électrique extérieur.
Binaire comme le 0 et le 1 d'un bit
Cette propriété utile résulte généralement de déformations dans la structure cristalline des ferroélectriques. Ces déformations génèrent à leur tour de minuscules dipôles électriques dont les pôles positifs et négatifs peuvent être inversés par un petit champ électrique appliqué localement. De cette manière, il est possible de créer deux états de polarisation différents au sein du matériau, un peu comme les états zéro et un d'un bit dans les dispositifs de stockage magnétiques. "Nous pouvons donc 'écrire' sur le matériau avec un champ électrique et l'utiliser pour stocker des informations", explique Gattinoni. Toutefois, ces deux états de polarisation influençables ne peuvent être contrôlés que jusqu'à une certaine épaisseur critique du matériau, ce qui limite la poursuite de la miniaturisation des systèmes électroniques.
Le travail de Gattinoni permet maintenant de comprendre pourquoi la polarisation réversible est perdue et comment cela pourrait être surmonté - en particulier comment les matériaux ferroélectriques pourraient être construits de manière à ce que même les films minces de quelques nanomètres seulement possèdent une polarisation stable et contrôlable.
Traquer le problème des couches minces
Dans ce but, Gattinoni et ses collègues ont effectué des calculs dits de théorie de la fonctionnelle de la densité avec le superordinateur "Piz Daint" au CSCS. Les scientifiques ont examiné des films très fins, légèrement plus épais ou plus fins que sept cellules d'unité cristalline. Les chercheurs ont ensuite comparé les résultats obtenus par calcul avec des expériences menées par d'autres collaborateurs du Laboratoire des matériaux ferroélectriques de l'ETH Zurich sur un film de titanate de plomb (PbTiO3) - un matériau ferroélectrique typique facile à fabriquer - déposé sur une plaquette métallique de ruthénate de strontium. Les résultats combinés permettent désormais d'entrevoir les causes possibles de la polarisation supprimée.
Deux phénomènes connus contribuent à la perte de polarisation : Le premier est ce que l'on appelle le champ dépolarisant, qui est créé par des charges opposées sur les surfaces opposées du matériau - une conséquence naturelle de son moment dipolaire. Ces charges créent un champ électrique qui est exactement opposé à la direction de la polarisation ferroélectrique. Plus le film est fin, plus ces charges opposées se rapprochent et plus ce champ dépolarisant destructeur s'intensifie.
Le deuxième phénomène résulte de l'instabilité des charges de surface en soi. "En pratique, le système doit trouver un moyen de compenser les charges de surface afin de conserver les propriétés ferroélectriques", explique Gattinoni. Ses calculs sur le superordinateur montrent un moyen d'y parvenir même dans les films minces.
Devenir vraiment mince
Gattinoni a d'abord découvert que, contrairement aux hypothèses précédentes, la liaison chimique à l'interface entre le ferroélectrique et le métal sous-jacent - dans ce cas, la couche de ruthénate de strontium - n'influence guère le maintien de la polarisation. Au lieu de cela, la structure électronique et donc les propriétés électrostatiques du ferroélectrique et de la couche métallique jouent le rôle dominant dans le système. "Cela signifie que nous devons modifier les propriétés électrostatiques pour contrôler la polarisation, au lieu de nous concentrer sur les liaisons chimiques", explique Gattinoni.
Ses calculs ont également donné des indications sur l'endroit où de telles modifications auraient le plus d'effet sur l'équilibre des charges. Selon eux, les décalages de charge à l'interface entre le ferroélectrique et le métal ne jouent qu'un rôle mineur. Jusqu'à présent, on avait supposé que ceux-ci étaient décisifs. En revanche, les modifications à la surface des ferroélectriques se sont révélées nettement plus efficaces. Il est par exemple possible d'introduire de manière ciblée dans la structure des défauts qui adsorbent les charges électriques, ou encore d'enrichir l'atmosphère d'un élément de construction avec certaines molécules qui absorbent les charges. "Ces deux méthodes permettent de stabiliser la polarisation de films ferroélectriques même très fins", explique Gattinoni.
Le matériau magique
Certains ferroélectriques pourraient en outre servir à l'avenir de puissants catalyseurs de certaines réactions chimiques importantes. Dans ce contexte, Gattinoni a récemment étudié un matériau qui, selon elle, est magique : la ferrite de bismuth.
Elle a de nouveau étudié une fine pellicule de ce matériau à l'aide de calculs de théorie de la fonctionnelle de la densité, cette fois pour déterminer son potentiel dans la catalyse de la dissociation de l'eau. Cette réaction chimique sépare les molécules d'eau en hydrogène et en oxygène ; elle est donc utilisée pour produire de l'hydrogène. Cependant, les méthodes actuelles présentent des lacunes, soit parce qu'elles dépendent des combustibles fossiles, soit parce qu'elles sont coûteuses et gourmandes en énergie. C'est pourquoi le développement d'une technique de dissociation de l'eau plus efficace pourrait conduire à une économie de l'hydrogène respectueuse de l'environnement.
Comme l'ont montré les calculs de Gattinoni, le ferrite de bismuth devrait effectivement s'avérer être un excellent catalyseur de la réaction. En effet, ce matériau possède des propriétés électroniques étonnantes : Les films de ferrite de bismuth restent ferroélectriques même lorsqu'ils n'ont qu'une cellule unitaire d'épaisseur - et ce, sans qu'il soit nécessaire de compenser les charges de surface.
Cela est dû au fait que la ferrite de bismuth contient deux types de polarisation différents : la polarisation ferroélectrique et une autre polarisation propre au matériau. Cette dernière est créée parce que la couche d'oxyde de bismuth du matériau est chargée positivement et la couche d'oxyde de fer négativement. Par hasard, ces deux types de polarisation opposés sont de même taille. C'est pourquoi la polarisation propre au matériau compense exactement la polarisation ferroélectrique et compense les charges de surface.
Un catalyseur pratique
Cette propriété "magique" rend le matériau "inerte", ce que les spécialistes appellent inerte. S'il est ajouté à de l'eau, par exemple, il ne se passe rien. Mais si la polarisation ferroélectrique est inversée par l'application d'un champ électrique, les charges de surface s'accumulent massivement, ce qui incite à son tour les molécules d'eau à se scinder.
Actuellement, les collaborateurs de Gattinoni tentent de confirmer cette idée expérimentalement. En outre, leurs résultats ainsi que des travaux antérieurs d'autres scientifiques indiquent qu'un processus chimique similaire pourrait également être utilisé pour décomposer des polluants tels que les oxydes d'azote (NOx) toxiques. "Nous allons en tout cas continuer à explorer le potentiel des ferroélectriques pour la catalyse", souligne Gattinoni.
Ce texte de Santina Russo est paru pour la première fois en anglais sur le sitepage externeCSCS.
Références bibliographiques
Gattinoni Ch., Strkalj N., Härdi R., Fiebig M., Trassin M. and Spaldin N.A. : Interface and surface stabilization of the polarization in ferroelectric thin films. PNAS (2020). doi : page externe10.1073/pnas.2007736117
Efe I., Spaldin N.A. and Gattinoni Ch. : On the happiness of ferroelectric surfaces and its role in water dissociation : The example of bismuth ferrite. J. Chem. Phys. (2021). doi : page externe10.1063/5.0033897
Spaldin N.A., Efe I., Rossell M.D. et Gattinoni Ch. : Layer and spontaneous polarizations in perovskite oxides and their interplay in multiferroic bismuth ferrite. J. Chem. Phys (2021). doi : page externe10.1063/5.0046061