De même qu'un ferromagnétique possède une aimantation spontanée, un ferroélectrique présente une polarisation électrique qui peut être renversée par un champ électrique. Cette famille de matériaux est étudiée depuis la découverte des oxydes de structure pérovskite comme le titanate de baryum BaTiO3 (ou BTO) et a trouvé de nombreuses applications en microélectronique et également pour le photovoltaïque.
Alors que les ferroélectriques sont souvent utilisés sous forme de couches minces, de récentes recherches soutenues par l'ANR visent à développer des capteurs optiques biocompatibles à l'aide de nanocristaux ferroélectriques de BTO dopé aux terres rares. Or, du fait de leur taille nanométrique, ces nanocristaux cubiques sont susceptibles de posséder une texture ferroélectrique originale.
À la fois ferroélectrique et piézoélectrique
Une collaboration franco-américaine impliquant l'Iramis a voulu en savoir plus en exploitant une autre propriété de ces matériaux : la piézo-électricité.
Les chercheurs ont sondé la surface de nanocristaux de BTO de ~160 nm de côté par microscopie de force piézoélectrique (PFM). Et en parallèle, ils ont simulé la distribution de polarisation électrique à l'équilibre sur un nanocristal, ainsi que sa réponse PFM à l'aide d'un modèle de champ de phase (module FERRET). Ils établissent ainsi les points suivants.
- Les facettes de tous les nanocristaux de BTO se déforment localement dans leur plan en réponse à la tension électrique appliquée sur la pointe du PFM.
- La modélisation par champ de phase montre que dans le volume du nanocristal, la polarisation est constituée de domaines d'orientation up et down (en alternance) suivant un des axes cristallographiques du BTO et que cette polarisation tourne de 90° au voisinage de la surface sondée.
- La simulation rend aussi compte qualitativement des champs de déformation mesurés par PFM.
La texture ferroélectrique mise en évidence par la modélisation devrait annuler la génération de second harmonique dans un nanocristal de BTO, ce que contredit l'expérience. Des analyses complémentaires couplant PFM et génération de second harmonique sont envisagées afin d'éclaircir ce paradoxe.
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