Étude sur l’amélioration de la réponse électromécanique des moteurs à film mince antiferroélectrique sous effet de confinement

Introduction

Les matériaux de film mince antiferroélectrique suscitent un grand intérêt pour les applications potentielles dans les systèmes micro/nanoélectromécaniques. Ces systèmes exigent des matériaux présentant une réponse électromécanique élevée, capable de générer une déformation significative sous l’effet d’un champ électrique. Cependant, les matériaux électromécaniques traditionnels (tels que les matériaux ferroélectriques et les relaxeurs ferroélectriques) voient leur réponse diminuer considérablement à mesure que leur épaisseur est réduite à l’échelle sub-micron, principalement en raison de l’effet de confinement mécanique du substrat qui limite la rotation de la polarisation et la déformation du réseau cristallin.

Pour surmonter cette limitation, les chercheurs ont proposé une méthode non traditionnelle consistant à réaliser une réponse électromécanique significative des films antiferroélectriques grâce à la transformation de phase induite par le champ électrique et à l’effet de confinement du substrat. Des études ont observé que la désinclinaison des octaèdres d’oxygène coïncide avec l’expansion du volume du réseau cristallin dans toutes les dimensions, tandis que le confinement in-plane renforce davantage l’expansion out-of-plane.

Source de la recherche

Ce document est rédigé par des chercheurs de plusieurs institutions réputées, notamment l’University of California, Berkeley, le Massachusetts Institute of Technology, le Dartmouth College et le DECVOM Army Research Laboratory. L’article est publié en ligne le 24 avril 2024 dans « Nature Materials ».

Déroulement de la recherche

Conception de l’expérience et préparation des échantillons

L’équipe de recherche a synthétisé des films antiferroélectriques de 100 nanomètres d’épaisseur (principalement du PbZrO3 et du PbHfO3) par dépôt laser pulsé, ainsi que des films ferroélectriques (PbZr0.52Ti0.48O3) et relaxeurs ferroélectriques (0.67PbMg_1/3Nb_2/3O3–0.33PbTiO3) pour le groupe de contrôle. Ces films ont été fabriqués dans une structure de condensateur symétrique et caractérisés par diffraction des rayons X et cartographie en espace réciproque pour analyser la structure cristalline.

Test des performances

En utilisant la microscopie électronique à transmission (STEM) en champ induit, l’équipe a étudié le phénomène de désinclinaison des octaèdres d’oxygène afin de révéler le mécanisme microscopique de la transformation de phase antiferroélectrique à ferroélectrique induite par champ électrique. Les calculs de première-principes ont permis d’expliquer les principes physiques de l’amélioration de la réponse électromécanique. Sous différentes conditions de champ électrique, la polarisation dépendante du champ électrique et la réponse électromécanique out-of-plane du film ont été mesurées à l’aide d’un vibromètre Doppler laser.

Principaux résultats

Observations expérimentales

1. Courbe d’hystérésis de polarisation et mesure de la déformation électromécanique : Les films de PbZr0.52Ti0.48O3 et 0.67PbMg_1/3Nb_2/3O3–0.33PbTiO3 ont montré une courbe d’hystérésis de polarisation nette et une déformation électromécanique croissante avec le champ électrique, atteignant respectivement 0,27 % et 0,33 %. Cependant, la réponse en polarisation des films était significativement inférieure à celle de leurs versions en vrac.
2. Courbe d’hystérésis bipolaire des films antiferroélectriques : Les films de PbZrO3 et PbHfO3 ont présenté une courbe d’hystérésis bipolaire caractéristique, avec des transitions brusques induites par le champ électrique, aboutissant à une grande déformation, atteignant respectivement ~1,0 % et ~0,85 %.
3. Étude STEM in situ : En augmentant la tension appliquée, une désinclinaison du réseau cristallin a été observée pendant la transformation de phase antiferroélectrique à ferroélectrique. L’analyse de la quantité de désinclinaison des octaèdres d’oxygène a confirmé que la phase ferroélectrique avait une symétrie r3m.

Supports théoriques

Les calculs de première-principes basés sur la théorie de la densité fonctionnelle (DFT) ont montré qu’au cours de la transformation de phase induite par le champ électrique de la phase antiferroélectrique Pbam (orthorhombique) à la phase ferroélectrique r3m (rhomboédrique), il y a une expansion isotrope du réseau cristallin. Cependant, en raison de l’effet de confinement du substrat, l’expansion se manifeste principalement de manière significative dans la direction out-of-plane.

Conclusions et perspectives d’application

L’étude démontre par des expériences et des théories comment utiliser l’effet de confinement mécanique du substrat pour réaliser une réponse électromécanique élevée des films antiferroélectriques, méthode permettant de surmonter la diminution de la réponse dans les matériaux ferroélectriques et relaxeurs ferroélectriques traditionnels sous forme de film mince. Les films de PbZrO3 orientés et épais de 100 nanomètres ont montré des valeurs de déformation élevées (~1,7 %) stables sous fréquence et cycles prolongés, ce qui est significatif pour le développement de systèmes micro/nanoélectromécaniques performants.

Points saillants de la recherche

1. Nouveau mécanisme de couplage de la transformation de phase et du confinement : Mise en lumière de la transformation de phase antiferroélectrique à ferroélectrique sous l’effet de confinement du substrat, contrairement aux matériaux ferroélectriques traditionnels, ce couplage entraîne une réponse électromécanique significativement accrue.
2. Perspectives d’application larges : L’étude fournit une compréhension théorique approfondie des matériaux antiferroélectriques tout en démontrant leur potentiel d’application pratique, en particulier dans les systèmes micro/nanoélectromécaniques nécessitant une stabilité de haute fréquence et une faible consommation d’énergie.

Perspectives d’avenir

Les recherches futures viseront à optimiser davantage la composition, l’orientation et la microstructure des films antiferroélectriques pour améliorer leur résistance à la rupture diélectrique, réduire le champ de transformation de phase et améliorer leur fiabilité et efficacité énergétique dans les applications intégrées aux systèmes micro/nanoélectromécaniques.