Commutation de polarisation à plusieurs niveaux dans des couches minces ferroélectriques

Les matériaux ferroélectriques ont été largement utilisés dans la technologie de tous les jours, principalement en raison de leur polarisation électrique qui peut être commutée entre deux états distincts. Surmonter la limite binaire des ferroélectriques afin d’obtenir une valeur arbitraire de la polarisation est un défi de longue date, mais a le potentiel d’élargir considérablement la portée des applications ferroélectriques, par exemple vers l’informatique neuromorphique.

L’électronique moderne est un monde numérique, où les informations sont générées, stockées et traitées sous la forme de zéros et de uns. Ainsi, pour remplir leur fonction, de nombreux composants électroniques s’appuient sur des matériaux intrinsèquement binaires. Dans les disques durs magnétiques, par exemple, l’information est codée dans l’aimantation rémanente d’un ferromagnétique qui est définie par l’hystérésis magnétique bien connue et peut prendre exactement deux valeurs distinctes. Les domaines magnétiques du disque dur (c’est-à-dire les régions à aimantation uniforme) constituent alors des bits de mémoire.

Alors que l’électronique binaire a sans aucun doute conduit à d’innombrables réalisations, elle atteint ses limites fondamentales liées à la taille. De plus, cette approche binaire n’a pas été pratique pour imiter les systèmes biologiques analogiques, tels que la transmission synaptique dans le cerveau, qui sont très prometteurs en tant que base d’une électronique neuromorphique de nouvelle génération très efficace.

En se concentrant sur les ferroélectriques, des matériaux à polarisation électrique spontanée commutable, les chercheurs du Laboratoire des matériaux ferroïques multifonctionnels et du Centre de microscopie électronique de l’EMPA ont maintenant réalisé avec succès la capacité de fixer n’importe quelle valeur arbitraire de la polarisation à la rémanence. Ils y sont parvenus dans des films minces de titanate de zirconate de plomb (PbZrxTi1-xO3, en abrégé PZT) – le matériau ferroélectrique le plus pertinent sur le plan technologique qui a été largement utilisé, par exemple dans les capteurs de pression ou les appareils à ultrasons en raison de ses propriétés piézoélectriques.

Pour accomplir cette commutation continue de la polarisation, l’équipe a combiné deux aspects particuliers dans son approche de conception. Tout d’abord, ils se sont concentrés sur une composition chimique du PZT proche d’une instabilité de phase, où même de petits champs électriques peuvent induire des réponses de matériaux très importantes, telles que des déformations mécaniques. Deuxièmement, ils ont choisi de préparer des films épitaxiaux d’une épaisseur de quelques nanomètres seulement, où la contrainte induite par le substrat monocristallin sous-jacent agit comme une poignée pour contrôler l’architecture du domaine ferroélectrique.

Sur la base de cette stratégie, les chercheurs ont préparé les films à l’aide d’un système de dépôt laser pulsé de précision atomique équipé d’outils de surveillance in situ de pointe et ont réussi à obtenir une configuration de domaine dans les films PZT consistant en nanoscopiques disposés de manière aléatoire (≈10 nm) domaines. De manière surprenante, ils ont découvert que l’application d’un champ électrique permet d’inverser la polarisation dans chaque domaine sans changer la taille du domaine nanométrique. Etant donné que les domaines présentent une large distribution de barrières de commutation, il était en outre possible de ne commuter qu’une fraction des domaines avec une valeur de tension appliquée. Ainsi, en faisant la moyenne sur une poignée de domaines, ils ont pu stabiliser n’importe quelle valeur de la polarisation à la rémanence entre les états dépolarisés et complètement saturés.

Pour démontrer la pertinence technologique d’un contrôle continu de la polarisation à l’échelle nanométrique, les chercheurs ont réalisé deux expériences de preuve de concept. Pour leur première application, ils ont montré qu’en contrôlant spatialement la polarisation nette, il est possible d’ajuster l’efficacité du doublage de fréquence optique – génération de deuxième harmonique – une propriété qui joue un rôle important pour les applications photoniques. Deuxièmement, ils ont démontré une accordabilité quasi continue du courant tunnel qui traverse le film PZT en fonction de la polarisation nette. En plus d’offrir une lecture non destructive de la polarisation, cette manipulation du flux de courant ouvre des possibilités intéressantes pour la fabrication de synapses artificielles.

Leur étude est publiée dans Communication Nature.