Comme un jeu Légo…

Les oxydes de métaux de transition revêtent un intérêt particulier en raison de la grande diversité des propriétés qu’ils peuvent présenter (diélectriques, ferroélectriques, piézoélectriques, magnétiques voire supraconductrices) et intègrent de ce fait de nombreux dispositifs. La plupart de ces oxydes possèdent de plus une structure cubique identique (dite «pérovskite») et, depuis peu, les chercheurs parviennent à les empiler à leur gré, couche atomique par couche atomique comme des enfants empilent des briques Légo, espérant ainsi façonner artificiellement de nouveaux matériaux combinant plusieurs propriétés.

Bien que ces matériaux artificiels restent encore actuellement du domaine du laboratoire, la prestigieuse revue Science n’hésitait pas à classer en janvier dernier les découvertes récentes dans les multicouches d’oxydes (dont un article² du groupe genevois publié dans Science) comme une des dix avancées les plus significatives de l’année 2007, toutes disciplines confondues.³ Si ce domaine de recherche est à un stade de développement encore embryonnaire, ces découvertes ne manquent en effet pas d’évoquer celles dans le domaine des semi-conduceurs il y a 60 ans : tout comme la maîtrise des propriétés aux interfaces entre semi-conducteurs fut un pas crucial à l’origine de l’électronique moderne, de nombreux experts s’accordent pour dire que l’ingénierie de propriétés nouvelles aux interfaces entre oxydes pourrait engendrer des développements technologiques très importants.

La découverte réalisée en collaboration entre les théoriciens de l’Université de Liège et les expérimentateurs de l’Université de Genève se place dans ce contexte.¹ Alors qu’il est bien connu qu’en formant un alliage de deux matériaux, on parvient souvent à combiner leurs propriétés, ici, il a été démontré qu’en maîtrisant la structure à l’échelle atomique dans les multicouches d’oxydes, il est possible d’induire de nouvelles propriétés et d’ainsi créer des matériaux sur mesure, possédant des caractéristiques tout à fait inédites.

Les détails sur la découverte

Les chercheurs de Liège et de Genève ont étudié des super-réseaux (structures en «mille-feuille») de 100 nanomètres d’épaisseur, obtenus par la répétition en alternance de couches de PbTiO₃ et de SrTiO₃ dont l’épaisseur individuelle peut varier de 0.4 à 1.2 nanomètres (1 nm = 0.000000001 m).

Le PbTiO₃ et le SrTiO₃ sont deux oxydes bien connus et bien caractérisés présentant, l’un, une instabilité structurale ferroélectrique et, l’autre, une instabilité structurale non-polaire. Une étude théorique menée à Liège (à partir de techniques de simulation sophistiquées dites ab initio) a prédit que, lorsqu’on les combine pour former un super-réseau, un couplage tout à fait inhabituel et totalement inattendu apparaît entre les deux types d’instabilités, compatible avec l’apparition d’un phénomène rare appelé la ferroélectricité impropre.

Une étude expérimentale, réalisée en parallèle à Genève, a confirmé le caractère ferroélectrique impropre de ce type de super-réseau, et a mis de plus en évidence ses propriétés exceptionnelles : une constante diélectrique (grandeur décrivant la réponse du matériau à un champ électrique) à la fois élevée et indépendante de la température, deux caractéristiques généralement exclusives et combinées ici au sein du même matériau.

Cette découverte, protégée par une demande de brevet, revêt un intérêt à plus d’un titre. D’une part, les propriétés diélectriques inédites de ce matériau artificiel présentent un intérêt majeur pour certaines applications spécifiques dans le domaine de l’électronique. D’autre part, cette étude démontre la possibilité de créer des matériaux radicalement différents par ingénierie à l’échelle atomique. Le cas des super-réseaux de PbTiO₃/SrTiO₃ n’est en effet qu’un premier exemple convaincant qui ouvre de nombreuses nouvelles perspectives. Le couplage des instabilités aux interfaces est un concept transposable à d’autres types d’oxydes et pourraît s’avérer une stratégie particulièrement intéressante dans le domaine émergent des oxydes multiferroiques. Les recherches se poursuivent donc à Liège et à Genève…

Références :

[1] E. Bousquet, M. Dawber, N. Stucki, C. Lichtensteiger, P. Hermet, S. Gariglio, J.-M. Triscone & P. Ghosez, Nature 452, 732 (2008). DOI

[2] N. Reyren et al., Science 317, 1196 (2007). DOI

[3] Les dix avancées les plus significatives de l’année 2007, toutes disciplines confondues selon la revue Science : http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/ 318/5858/1844a