Un champ électrique perpendiculaire pour renverser la polarisation d'un matériau ferroélectrique
Observé dans le titanate de bismuth, ce mécanisme pourrait faciliter la conception de mémoires et de composants logiques fonctionnant à plus basse tension. Dans un matériau ferroélectrique, la polarisation électrique (une orientation privilégiée des charges au sein du cristal) ne peut normalement être inversée qu'en appliquant un champ électrique parallèle à cette polarisation et dirigé en sens contraire. Des chercheurs du service de Physique Théorique des Matériaux de l'Université de Liège, en collaboration avec des équipes d'universités des États-Unis et d'Espagne, montrent que dans un matériau ferroélectrique en couches, le titanate de bismuth (Bi₄Ti₃O₁₂), un champ appliqué perpendiculairement suffit à renverser la polarisation principale.
Les matériaux ferroélectriques entrent dans la composition de nombreux dispositifs, parmi lesquels les mémoires non volatiles (comme les cartes à puces ou les badges), les capteurs (de chocs ou de pression) et les actionneurs (injecteurs de carburant). Ils sont également étudiés en vue de futures technologies de calcul à faible consommation d'énergie. Dans le titanate de bismuth examiné ici, deux polarisations coexistent : l'une, importante, se situe dans le plan des couches atomiques (environ 50 µC cm⁻²), l'autre, plus faible, est orientée hors de ce plan (de l'ordre de 2 à 5 µC cm⁻²). Les chercheurs ont montré qu'un champ électrique appliqué hors du plan, agissant sur la petite composante hors-plan, entraîne de manière déterministe le renversement de la composante située dans le plan, pourtant nettement plus grande.
Ce comportement s'explique par un jeu de couplages entre différentes déformations de la structure cristalline. "Le travail théorique, que nous avons mené à l'ULiège en collaboration avec le professeur Javier Junquera (Université de Cantabrie), a permis d'en comprendre l'origine, explique Fernando Gómez-Ortiz, physicien et chargé de recherche à l'ULiège, au sein de l’équipe de recherche du professeur Philippe Ghosez. À l'aide de calculs de premiers principes et d'une analyse fondée sur les symétries, nous avons identifié un réseau de couplages dits « trilinéaires », qui relient les deux composantes de la polarisation aux rotations et inclinaisons des octaèdres d'oxygène formant le cristal. Ces couplages agissent à la manière d'un système d'engrenages, faire tourner une roue force les autres à bouger. De même, renverser une polarisation déclenche une cascade de réarrangements atomiques qui aboutit à l'inversion de la polarisation perpendiculaire." Sur cette base, les chercheurs de Liège et Cantabrie ont proposé un chemin de commutation compatible avec les symétries du matériau.
Cette proposition a ensuite été confirmée par le groupe de Ramamoorthy Ramesh (Université de Californie à Berkeley) et ses collaborateurs. Des films minces de titanate de bismuth ont été élaborés par dépôt laser pulsé, puis examinés par microscopie à force piézoélectrique, ptychographie électronique à résolution atomique, microscopie d'émission photoélectronique et imagerie par diffraction électronique. Ces observations directes du processus de commutation ont validé le modèle théorique et indiqué que le renversement pouvait être obtenu de façon reproductible.
L'étude prolonge une orientation de recherche à laquelle l'ULiège avait déjà contribué. En 2008, Eric Bousquet et Philippe Ghosez avaient contribué à la mise en évidence d'une nouvelle forme dite « impropre » de ferroélectricité dans des empilements artificiels de matériaux, montrant qu'une polarisation peut naître du couplage entre déformations non polaires plutôt que du mécanisme ferroélectrique classique. "Le présent travail exploite ces mêmes couplages dans un matériau naturellement en couches pour en tirer une fonctionnalité inédite, reprend le chercheur. Et cette approche présente aussi un intérêt pratique. Dans de nombreuses architectures électroniques miniaturisées, la polarisation utile se trouve dans le plan du matériau, mais son renversement conventionnel exige une tension latérale élevée. Un champ hors du plan, lui, peut être appliqué à travers un film de quelques nanomètres d'épaisseur : le champ nécessaire à la commutation est alors atteint avec une tension beaucoup plus faible."
Avec ces résultats les auteurs proposent un mécanisme déterministe pour commuter une polarisation dans le plan à l'aide d'un champ perpendiculaire, et suggèrent que des couplages structuraux comparables pourraient exister dans d'autres matériaux en couches ou de basse symétrie. Au-delà de son intérêt fondamental, cette approche pourrait contribuer au développement de mémoires et de composants logiques ferroélectriques plus sobres en énergie et compatibles avec les architectures en couches minces existantes.
Référence scientifique
Gupta, S. Puebla, F. Gómez-Ortiz, X. Li, S. Husain, T.-R. Liu, P. Meisenheimer, V. Srikrishna, D. Nikonov, M. Chen, Y. Kumar, A. Omar, K. Das, B. Achinuq, S. Roy, Y.-T. Shao, Y. Han, S. Salahuddin, A. Mathuriya, S. Manipatruni, Ph. Ghosez, J. Junquera et R. Ramesh, Perpendicular switching of polarization in layered ferroelectrics, Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-026-10839-3
