Des physiciens révèlent le « vortex 3D » de la ferroélectricité zéro dimension

Des chercheurs de l’Institut coréen des sciences et technologies, en collaboration avec plusieurs institutions, ont confirmé expérimentalement la distribution de polarisation en forme de vortex 3D à l’intérieur des nanoparticules photovoltaïques. En utilisant la tomographie électronique atomique, ils ont cartographié les positions atomiques dans les nanoparticules de titanate de baryum et calculé la distribution de polarisation interne. Cette découverte confirme les prédictions théoriques faites il y a 20 ans et offre le potentiel de développer des dispositifs à mémoire ultra-dense.

une kaistL’équipe de recherche qu’il dirige a réussi à démontrer la distribution tridimensionnelle de la polarisation interne dans les nanoparticules ferroélectriques, ouvrant la voie à des dispositifs de mémoire avancés capables de stocker 10 000 fois plus de données que les technologies actuelles.

Les matériaux qui restent magnétisés indépendamment, sans nécessiter de champ magnétique externe, sont appelés ferromagnétiques. De même, la ferroélectricité peut maintenir elle-même un état de polarisation, sans aucun champ électrique externe, agissant comme l’équivalent électrique des ferromagnétiques.

On sait que les ferromagnétiques perdent leurs propriétés magnétiques lorsqu’ils sont réduits à des tailles nanométriques inférieures à un certain seuil. Ce qui se passe lorsque des matériaux ferroélectriques sont fabriqués à l’identique dans un très petit volume dans toutes les directions (c’est-à-dire dans une structure sans dimension comme les nanoparticules) est un sujet de controverse depuis longtemps.

L’équipe de recherche dirigée par le Dr Youngsu Yang du Département de physique de KAUST a, pour la première fois, élucidé la distribution de polarisation en forme de vortex 3D à l’intérieur des nanoparticules ferroélectriques grâce à une recherche collaborative internationale avec POSTECH, SNU, KBSI et LBNL. Et l’Université de l’Arkansas.

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Il y a environ 20 ans, le professeur Laurent Belich (aujourd’hui à l’Université de l’Arkansas) et ses collègues ont prédit théoriquement qu’une forme unique de distribution de polarisation, disposée sous la forme d’un vortex toroïdal, pourrait se produire à l’intérieur de nanopoints ferroélectriques. Ils ont également suggéré que si cette distribution vortex pouvait être correctement contrôlée, elle pourrait être appliquée à des dispositifs de mémoire haute densité dotés de capacités 10 000 fois supérieures à celles des dispositifs existants. Cependant, la clarification expérimentale n’a pas été obtenue en raison de la difficulté de mesurer la distribution de polarisation 3D au sein des nanostructures ferroélectriques.

Techniques avancées en tomographie électronique

L’équipe de recherche du KAIST a résolu ce défi vieux de 20 ans en mettant en œuvre une technique appelée tomographie électronique atomique. Cette technologie fonctionne en acquérant des images de nanomatériaux au microscope électronique à transmission à résolution atomique sous plusieurs angles d’inclinaison, puis en les reconstruisant en structures 3D à l’aide d’algorithmes de reconstruction avancés. La tomographie électronique peut être comprise comme la même méthode utilisée dans les tomodensitogrammes utilisés dans les hôpitaux pour visualiser les organes internes en trois dimensions ; L’équipe KAIST l’a adapté de manière unique aux nanomatériaux, en utilisant la microscopie électronique sur un seul échantillon.atome niveau.

Distribution de polarisation tridimensionnelle des nanoparticules BaTiO3 détectées par tomographie électronique atomique

Distribution de polarisation tridimensionnelle des nanoparticules BaTiO3 révélée par tomographie électronique atomique. (À gauche) Schéma de la technique de tomographie électronique, qui consiste à acquérir des images au microscope électronique à transmission sous plusieurs angles d’inclinaison et à les reconstruire en structures atomiques 3D. (Au milieu) La distribution de polarisation 3D a été déterminée expérimentalement à l’intérieur d’une nanoparticule BaTiO3 via tomographie électronique atomique. Une structure en forme de vortex est clairement visible près du fond (point bleu). (À droite) Coupe transversale 2D de la distribution de polarisation, finement tranchée au centre du vortex, et ensemble la couleur et les flèches indiquent la direction de polarisation. Une structure de vortex distincte peut être observée.

À l’aide de la tomographie électronique atomique, l’équipe a mesuré les positions de tous les atomes de cations à l’intérieur des nanoparticules de titanate de baryum (BaTiO3), un matériau ferroélectrique, en trois dimensions. Grâce à des arrangements atomiques 3D définis avec précision, ils ont pu calculer davantage la distribution de polarisation interne 3D au niveau d’un seul atome. L’analyse de la distribution de polarisation a révélé, pour la première fois expérimentalement, que des arrangements topologiques de polarisation, notamment des vortex, des antivortex, des skyrmions et le point de Bloch, se produisent à l’intérieur de ferroélectriques de dimension zéro, comme prévu théoriquement il y a 20 ans. De plus, il a également été constaté que le nombre de vortex internes peut être contrôlé par leur taille.

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Les professeurs Sergei Brusandev et Belich (qui, avec d’autres collègues, ont proposé théoriquement la disposition des vortex polaires il y a 20 ans) ont rejoint cette collaboration et ont également démontré que les résultats de distribution des vortex obtenus à partir des expériences concordent avec les calculs théoriques.
En contrôlant le nombre et la direction de ces distributions de polarisation, on s’attend à ce que cela puisse être exploité dans les dispositifs de mémoire haute densité de nouvelle génération, capables de stocker plus de 10 000 fois la quantité d’informations dans le dispositif lui-même par rapport aux dispositifs existants.

Le Dr Yang, qui a dirigé la recherche, a expliqué l’importance de ces résultats en déclarant : « Ce résultat indique que le seul contrôle de la taille et de la forme des matériaux ferroélectriques, sans avoir besoin de régler le substrat ou les influences environnementales environnantes telles que la contrainte épitaxiale, peut manipuler des vortex ferroélectriques ou d’autres arrangements topologiques à grande échelle. » La nanotechnologie peut alors appliquer des recherches plus approfondies au développement de la prochaine génération de mémoire ultra-dense.

Référence : « Révéler l’ordre tridimensionnel de la topologie polaire dans les nanoparticules » par Chihwa Jeong, Joo Hyuk Lee, Hyesung Jo, Jayohan Oh, Hyunsuk Baek, Kyung Joon Jo, Junwoo Son, Se Young Choi, Sergey Brusandev, Laurent Belich et Youngsoo Yang, le 8 mai 2024, Communications naturelles.
est ce que je: 10.1038/s41467-024-48082-x

Cette étude a été principalement financée par des subventions de la National Research Foundation of Korea (NRF) financées par le gouvernement coréen (MSIT).

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