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Découverte d'un nouveau matériau bidimensionnel aux propriétés uniques

Depuis la découverte du graphène, synthétisé pour la première fois en 2004, les matériaux ultrafins bidimensionnels – qui, par définition, sont constitués d’une seule couche d’atomes – ont suscité un vif intérêt parmi la communauté scientifique. Ces matériaux monocouches sont en effet dotés de caractéristiques électriques et/ou magnétiques uniques, ouvrant la voie à de nombreuses applications du domaine du photovoltaïque, de l’électronique ou de l’optique. Des chercheurs du MIT ajoutent aujourd’hui un nouveau candidat à la liste de ces matériaux étonnants.

Image d'illustration

Par : FLEUR BROSSEAU / science-et-vie.com

Cette équipe de physiciens a montré que deux feuillets de nitrure de bore (BN) – connu sous le nom de « graphène blanc », en partie parce qu’il présente une structure atomique similaire au graphène – empilés l’un sur l’autre conduisent à la formation d’un matériau ferroélectrique, ce qui signifie que les charges positives et négatives qu’il contient se dirigent spontanément vers différents pôles (une polarisation qui peut être inversée sous l’application d’un champ électrique extérieur).

Des caractéristiques uniques, induites par la « twistronique »

La même équipe de chercheurs avait auparavant découvert qu’empiler des feuilles individuelles de matériaux 2D, puis les tordre légèrement les unes par rapport aux autres – une approche baptisée « twistronique » – peut leur conférer de nouvelles propriétés, de la supraconductivité au magnétisme.

Ainsi, plus tôt cette année, ils ont réalisé un empilement de trois couches de graphène, en inclinant légèrement la couche intermédiaire par rapport aux deux couches externes ; cette configuration torsadée créait une sorte de symétrie, favorisant l’appariement et l’écoulement sans résistance des électrons dans le matériau – soit une propriété typique de la supraconductivité. Aucun matériau torsadé, autre que le graphène bicouche, n’avait présenté de supraconductivité jusqu’alors ; cette dernière s’avérait en outre beaucoup plus robuste dans la version tricouche.

Inspirée par ces travaux, l’équipe a cette fois-ci entrepris de réaliser une expérience similaire avec le nitrure de bore (NB) : les chercheurs ont empilé deux couches de NB, bien parallèlement l’une à l’autre, pour étudier les propriétés physiques résultantes. Ils ont alors découvert que le matériau était devenu ferroélectrique ; en d’autres termes, il était doté d’une polarisation électrique à l’état spontané, pouvant être contrôlée via un champ électrique (à savoir que les matériaux ferroélectriques sont aujourd’hui couramment utilisés en microélectronique). Un résultat tout à fait inattendu pour l’équipe.

« De larges variétés de propriétés physiques ont déjà été découvertes dans divers matériaux 2D. Maintenant, nous pouvons facilement empiler le nitrure de bore ferroélectrique avec d'autres familles de matériaux pour générer des propriétés émergentes et de nouvelles fonctionnalités », explique Pablo Jarillo-Herrero, l’un des principaux auteurs de l’étude, dans un communiqué. Mais le plus remarquable dans cette découverte est que le phénomène se produit à température ambiante (la supraconductivité, quant à elle, ne s’observe qu’à des températures extrêmement froides, proches du zéro absolu).

Un matériau prometteur pour le stockage de données

L’équipe a par ailleurs découvert qu’à l’instar des expériences réalisées auparavant sur les feuilles de graphène, la torsion (à un angle relativement petit) des feuilles de nitrure de bore les unes par rapport aux autres entraînait un type complètement nouveau d’état ferroélectrique (de la même manière que la torsion des feuilles de graphène entraînait une supraconductivité différente).

Il se trouve que ce matériau ferroélectrique ultrafin implique une toute nouvelle physique. En effet, le mécanisme derrière son fonctionnement est complètement différent de celui des matériaux ferroélectriques conventionnels. « La commutation ferroélectrique hors du plan se produit par le mouvement de glissement dans le plan entre deux feuilles de nitrure de bore. Ce couplage unique entre la polarisation verticale et le mouvement horizontal est rendu possible par la rigidité latérale du nitrure de bore », explique Kenji Yasuda, co-auteur principal de l’article.

Ce nouveau matériau pourrait avoir de nombreuses applications. D’autant plus qu’il s’agit de l’un des matériaux ferroélectriques les plus minces jamais fabriqués : il ne fait que quelques micromètres d’épaisseur ! Les chercheurs évoquent notamment le développement de mémoires informatiques. « Une possibilité intéressante est de l’utiliser pour un stockage de mémoire plus dense », explique Yasuda. En effet, la commutation de la polarisation du matériau pourrait être utilisée pour coder des bits (0 ou 1) et ces informations seront stables dans le temps – à moins qu’un champ électrique ne soit appliqué.

À présent, l’équipe espère développer de nouveaux matériaux ferroélectriques en utilisant la même technique. Celle-ci peut en effet être appliquée à d’autres matériaux non ferroélectriques de structure atomique similaire à celle du nitrure de bore. Seuls quelques ferroélectriques ultrafins existent aujourd’hui, « nous pouvons donc étendre considérablement la famille des ferroélectriques. », confirme Yasuda.



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