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Un nouveau pas pour comprendre le comportement de surface des matériaux ferroélectriques

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Une équipe française (IRAMIS, CEA, CNRS, Synchrotron SOLEIL), brésilienne (Université d’Etat de Campinas, Université Fédérale du Goiás), autrichienne (ISSSP Université de Linz), et roumaine (Institut national de physique des matériaux), a utilisé le rayonnement synchrotron de SOLEIL et en particulier la ligne de lumière ANTARES pour analyser le comportement de surface d’un cristal ferroélectrique traditionnel : le BaTiO3, à l’aide de techniques de diffraction.

Figure 1 : Micrographie optique d’un monocristal de BaTiO3

Les matériaux ferroélectriques présentent une polarisation électrique spontanée qui peut être inversée par simple application d’un champ électrique. En conséquence, ils suscitent un grand intérêt grâce à leur potentiel pour une nouvelle génération de dispositifs électroniques peu consommateurs d’énergie avec une grande rapidité de lecture et une densité de stockage très élevée. 
La surface d'un matériau ferroélectrique (FE) est susceptible de présenter une charge de polarisation fixe nette créant un champ électrique interne, le champ dépolarisant, qui peut annuler partiellement ou entièrement la polarisation dans le matériau. Ceci peut constituer un obstacle majeur dans les applications utilisant les couches minces de matériaux FE. Le champ dépolarisant peut néanmoins être atténué par divers mécanismes et altérations de la surface ou à proximité de celle-ci (froissement, relaxation et reconstruction). Sur des surfaces réelles, plusieurs de ces mécanismes peuvent se combiner. La compréhension de telles combinaisons complexes a donc une importance majeure pour la prédiction et le contrôle de la stabilité ferroélectrique. 
Les chercheurs ont donc étudié le comportement de surface d’un matériau ferroélectrique, le BaTiO3 couramment utilisé pour étudier les FE. Ils ont notamment étudié les phénomènes de froissement et de relaxation dans les différentes couches d’atomes successives, en confrontant simulations et données enregistrées sur la ligne de lumière ANTARES de SOLEIL. Au-delà de la quatrième couche d’atomes, la relaxation est négligeable tandis que le froissement (rumpling) s’approche de celui attendu pour le volume du BaTiO3.

Diffraction de photoélectrons pour configurations de BaTiO3 (001)  avec polarisations différentes.

En conséquence, la polarisation en surface se trouve plus faible en surface, en partie à cause des déplacements atomiques de la matière. Toutefois, elle n’a pas disparu et les propriétés FE restent présentes. 
Il serait intéressant de la réduire la largeur du faisceau incident, pour analyser spatialement un échantillon, afin d’étudier précisément les domaines FE uniques.