Une pression mécanique appliquée avec précision peut améliorer les propriétés électroniques d’un matériau polymère largement utilisé. Cela nécessite que le matériau soit traité mécaniquement avec une précision de quelques nanomètres, écrit une équipe de l’Université Martin Luther Halle-Wittenberg (MLU) dans la revue scientifique Matériaux électroniques avancés. Dans leur nouvelle étude, les chercheurs montrent comment fonctionne cet effet physique jusqu’alors inconnu et comment il pourrait également être utilisé pour de nouvelles technologies de stockage. L’équipe a également réussi à dessiner le blason de la ville de Halle sous la forme d’un motif électrique avec une résolution spatiale de 50 nanomètres dans la matière.
Le polyfluorure de vinylidène (PVDF) est un polymère largement utilisé par l’industrie pour produire des joints, des membranes et des films d’emballage. Il a de nombreuses propriétés pratiques car il est extensible, biocompatible et plutôt peu coûteux à produire. « Le PVDF est également un matériau ferroélectrique. Cela signifie qu’il a des charges positives et négatives qui sont séparées dans l’espace, ce qui peut être utilisé pour la technologie de stockage », explique le professeur de physique Kathrin Dörr de MLU. Cependant, il y a un inconvénient : le PVDF est un matériau semi-cristallin dont la structure, contrairement aux cristaux, n’est pas complètement ordonnée. « Il y a tellement de désordre dans le matériau que certaines des propriétés dont vous aimeriez réellement profiter sont perdues », explique Dörr.
Son équipe a découvert par hasard que la microscopie à force atomique peut être utilisée pour établir un certain ordre électrique dans le matériau. Cette méthode implique généralement le balayage d’un échantillon de matériau avec une pointe de quelques nanomètres seulement. Un laser est ensuite utilisé pour mesurer et évaluer les vibrations produites. « Cela nous permet d’analyser la structure de surface du matériau au niveau nano », explique Dörr. Les microscopes à force atomique peuvent également être utilisés pour appliquer une pression sur l’échantillon de matériau à l’aide de la petite pointe. Les physiciens de MLU ont découvert que cela modifiait également les propriétés électriques du PVDF.
« La pression comprime élastiquement le matériau à un point souhaité sans déplacer les molécules qui le composent », explique Dörr. La polarisation électrique du matériau (c’est-à-dire son orientation électrique) tourne dans le sens de la pression. Ainsi, la polarisation peut être contrôlée et réorientée au niveau nano. Les domaines électriques ainsi créés sont extrêmement stables et étaient encore intacts quatre ans après l’expérience originale.
L’effet découvert par les chercheurs de Halle peut être contrôlé avec une telle précision qu’ils ont pu utiliser les charges électriques pour dessiner dans la matière une version nanométrique des armoiries de la ville, probablement la plus petite au monde. Le nouveau procédé pourrait permettre d’utiliser des matériaux comme le PVDF dans de nouvelles applications électriques et de stockage.
Robert Roth et al, Contrôle mécanique de la polarisation à l’échelle nanométrique dans les films ferroélectriques PVDF‐TrFE, Matériaux électroniques avancés (2022). DOI : 10.1002/aelm.202101416
Fourni par Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg