L’utilisation de la ferroélectricité au lieu du magnétisme dans les mémoires des ordinateurs permet d’économiser de l’énergie. Si les bits ferroélectriques étaient nanométriques, cela permettrait également de gagner de la place. Mais la sagesse conventionnelle veut que les propriétés ferroélectriques disparaissent lorsque les bits sont réduits. Les rapports selon lesquels l’oxyde d’hafnium peut être utilisé pour fabriquer un ferroélectrique à l’échelle nanométrique n’ont pas encore convaincu le terrain. Les physiciens de l’Université de Groningen (UG) ont maintenant rassemblé des preuves susceptibles de persuader les sceptiques. Les résultats ont été publiés dans Nature Materials le 22 octobre.

Les matériaux ferroélectriques ont un moment dipolaire spontané qui peut pointer vers le haut ou le bas. Cela signifie qu’ils peuvent être utilisés pour stocker des informations, tout comme des bits magnétiques sur un disque dur. L’avantage des bits ferroélectriques est qu’ils peuvent être écrits avec une tension et une puissance faibles. Les bits magnétiques nécessitent des courants importants pour créer un champ magnétique pour la commutation, et donc plus de puissance. L’inconvénient des ferroélectriques est que les dipôles alignés ne sont stables que dans des groupes assez grands. Par conséquent, si vous réduisez la taille des cristaux, le moment dipolaire finit par disparaître.

L’équipe Hafnia » au sein du groupe Nanostructures d’Oxydes Fonctionnels, Institut Zernike pour les matériaux avancés, Université de Groningue. De gauche à droite: Yingfen Wei, Pavan Nukala, Beatriz Noheda et Mart Salverda. | Photo Henk Bonder, Université de Groningue (UG)

Scepticisme

«La réduction de la taille des matériaux ferroélectriques est un sujet de recherche depuis plus de 20 ans», déclare Beatriz Noheda, professeur de nanomatériaux fonctionnels à l’Université de Groningen (UG). Il y a environ huit ans, le Laboratoire de matériaux nanoélectroniques de Dresde, en Allemagne, a annoncé une avancée décisive. Ils ont affirmé que les couches minces d’oxyde d’hafnium étaient ferroélectriques lorsqu’elles étaient plus minces que dix nanomètres et que les couches plus épaisses perdaient en réalité leurs propriétés ferroélectriques. Pour Beatriz Noheda: « Cela allait à l’encontre de tout ce que nous savions, et la plupart des scientifiques étaient donc sceptiques, y compris moi. »

Une partie du scepticisme était due au fait que les échantillons d’afnium ferroélectrique utilisés dans ces études étaient polycristallins et présentaient de multiples phases, occultant toute compréhension fondamentale claire d’un tel phénomène non conventionnel.

Beatriz Noheda et son groupe ont décidé d’enquêter. Ils voulaient étudier ces cristaux en développant des films propres (monophasés) sur un substrat. À l’aide de techniques de diffusion des rayons X et de microscopie électronique à haute résolution, ils ont observé que des films très minces (moins de dix nanomètres) se développaient dans une structure polaire totalement inattendue et jusque-là inconnue, nécessaire à la ferroélectricité. En combinant ces observations avec des mesures de transport méticuleuses, ils ont confirmé que le matériau était effectivement ferroélectrique. «Dans le substrat que nous avons utilisé, les atomes étaient un peu plus proches que ceux de l’oxyde de hafnium, de sorte que les cristaux de hafnium seraient un peu tendus», explique Beatriz Noheda.

La Phase polaire

Vue intérieure de la chambre à vide dans laquelle se déroule le processus de «dépôt par laser pulsé», utilisée pour créer les cristaux d’oxyde d’hafnium dans cette étude. À gauche, le substrat incandescent sur lequel le film se développe sous contrôle atomique; au centre, le plasma bleu des ions créé en lançant un laser sur une cible de composition chimique correcte (cible visible à droite de la figure). | Photo Henk Bonder, Université de Groningen

À leur grande surprise, ils ont remarqué que la structure cristalline avait changé lorsque les couches dépassaient dix nanomètres, reproduisant ainsi les résultats du laboratoire de Dresde. Pour Beatriz Noheda: «Nous avons utilisé une méthode totalement différente, mais nous sommes parvenus à des conclusions similaires. Cela a confirmé que la ferroélectricité dans des cristaux d’oxyde d’hafnium de taille nanométrique est bien réelle et non conventionnelle. Et cela posait la question: pourquoi cela se produit-il? »

Le dénominateur commun dans les deux études était la taille. Les petits cristaux sont devenus ferroélectriques, alors que les plus gros ont perdu cette propriété. Cela a conduit les scientifiques à étudier les diagrammes de phase de l’oxyde d’hafnium. De très petite taille, les particules ont une très grande énergie de surface, créant des pressions pouvant atteindre 5 gigapascal dans le cristal. Les diagrammes de phase montrent un arrangement de cristaux différent à une telle pression. «Cette pression, ainsi que la contrainte imposée par le substrat, induit une phase polaire, ce qui va dans le sens de l’observation selon laquelle ces cristaux sont ferroélectriques», conclut Beatriz Noheda.

Cycle de réveil

Une autre découverte importante est que, contrairement aux films minces de Dresde, les nouveaux cristaux n’ont pas besoin d’un cycle de «réveil» pour devenir ferroélectriques. «Les couches minces précédemment étudiées ne sont devenues ferroélectriques qu’après plusieurs cycles de commutation. Cela a renforcé la suspicion que la ferroélectricité était une sorte d’artefact. Nous pensons maintenant que les cycles de réveil étaient nécessaires pour aligner les dipôles dans des échantillons «non nettoyés» obtenus par d’autres techniques. Dans notre matériau, l’alignement est déjà présent dans les cristaux. » souligne Beatriz Noheda

Selon cette chercheuse, les résultats sont concluants: l’oxyde de hafnium est ferroélectrique à l’échelle nanométrique. Cela signifie que de très petits bits peuvent être fabriqués à partir de ce matériau, avec l’avantage supplémentaire qu’ils commutent à basse tension. De plus, le substrat particulier utilisé dans cette étude est magnétique, et cette combinaison de bits magnétiques et ferroélectriques apporte un degré de liberté supplémentaire, permettant à chaque bit de stocker le double des informations. Maintenant que le mécanisme de la ferroélectricité à l’échelle nanométrique est clair, il semble probable que d’autres oxydes simples pourraient avoir des propriétés similaires. Beatriz Noheda s’attend à ce que, ensemble, cela suscite de nombreuses nouvelles recherches.

https://www.rug.nl/sciencelinx/nieuws/2018/10/20181022_noheda?lang=en