De nouvelles données sur la texture ferroélectrique de nanocristaux de titanate de baryum
Des équipes de laboratoires français et américains ont mis en commun leur savoir-faire pour étudier expérimentalement et théoriquement la structure ferroélectrique de nanocristaux individuels de titanate de baryum de forme cubique. Ces résultats, publiés dans la revue ACS Nano, ouvrent la voie à une conception nouvelle de nanocapteurs optiques.
À l’échelle nanométrique, les matériaux ferroélectriques peuvent présenter des structures de polarisation complexes susceptibles d’être mises à profit pour réduire la consommation énergétique de composants électroniques. La grande majorité des études porte sur des couches minces de ces matériaux.
Une nouvelle étude a été menée par des équipes du Laboratoire lumière-matière aux interfaces (LUMIN, CNRS/ENS Paris-Saclay/Université Paris-Saclay), du laboratoire Structures, propriétés et modélisation des solides (SPMS, CentraleSupélec), du Service de physique de l’état condensé (SPEC, CEA/CNRS) et du département de physique de l’Université d’Arkansas aux États-Unis. Elle s’intéresse à des nanocristaux BTO (nanoBTO) de forme cubique qui ont été synthétisés à la taille moyenne de ≈160 nm. La « texture » ferroélectrique de nanoBTO individuels a été sondée à l’aide de la microscopie de force piézoélectrique (PFM), technique de pointe à sonde locale en contact avec l’échantillon, qui tire profit du fait qu’un matériau ferroélectrique est aussi piézoélectrique. En parallèle, des simulations de la distribution de polarisation électrique à l’équilibre et de la réponse PFM ont été conduites à l’aide d’un modèle à champ de phase.
Les mesures ont révélé que les facettes de tous les nanoBTO étudiés ont une réponse PFM (déformation) à un champ électrique appliqué perpendiculairement qui n’est que dans leur plan. La modélisation par champ de phase permet d’expliquer cette observation. Elle révèle en effet que la polarisation à l’équilibre constituée principalement de l’alternance de domaines up et down (alignés avec l’axe cristallographique de la phase tétragonal du BTO) tourne de 90° au niveau des facettes orthogonales à cet axe. La simulation rend aussi compte qualitativement des champs de déformation mesurés par PFM.
Publiés dans ACS Nano, ces travaux montrent l’intérêt de la technique PFM et ouvrent la voie à la conception de nanocapteurs optiques (température ou champ électrique, notamment) reposant sur des nanoBTO dopés avec des ions de terre rare. Les résultats de cette étude soulèvent également la question de l’origine de la réponse optique non linéaire de génération de second harmonique (SHG) de nanoBTO individuels largement décrite dans la littérature. En effet, compte-tenu de la texture ferroélectrique mise en évidence dans les simulations, les nanocristaux apparaissent comme constitués au cœur et en surface de domaines orientés à 180° les uns des autres avec une compensation globale de polarisation. Cela devrait a priori donner lieu à une absence de SHG par interférences destructives, ce qui n’est pas ce qui est observé expérimentalement. Des analyses complémentaires couplant PFM et SHG seront prochainement menées afin d’approfondir la compréhension de la structure de ces nanocristaux.
Gauche : nanocristal ferroélectrique de titanate de barium (orange) collé par une fine couche d’un polymère conducteur (vert) sur une lamelle de verre, elle même recouverte d’un dépôt conducteur (gris-bleu), afin de permettre d’appliquer une différence de potentiel alternative entre la pointe du PFM en contact avec la face supérieure et la face inférieure de la nanoparticule.
Droite, haut : amplitude et direction de déplacement de la pointe du PFM en réponse au champ électrique oscillant. On observe une texture inhomogène.
Droite, bas : simulation (par modèle à champ de phase) de la polarisation dans le plan vertical au milieu du nanocristal, montrant l’alternance de domaines pointant vers le haut et d’autres vers le bas (définissant la direction de l’axe cristallographique), ainsi que l’absence de polarisation verticale dans les faces du dessus et du dessous, en accord avec les mesures PFM.
© F. Treussart, C. Paillard et C. Fiorini
Références
Ferroelectric Texture of Individual Barium Titanate Nanocrystals.
Athulya K. Muraleedharan, Kevin Co, Maxime Vallet, Abdelali Zaki, Fabienne Karolak, Christine Bogicevic, Karen Perronet, Brahim Dkhil, Charles Paillard, Céline Fiorini-Debuisschert, and François Treussart.
ACS Nano, publié le 01/07/2024.
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c02291
Article consultable sur les bases d’archives ouvertes HAL et Arxiv