Nano-îlots sur silicium avec textures topologiques commutables
Les nanostructures dotées de motifs électromagnétiques spécifiques promettent des applications en nanoélectronique et dans les futures technologies de l'information. Cependant, il est très difficile de contrôler ces motifs. Aujourd'hui, une équipe du HZB a examiné une catégorie spécifique de nano-îlots sur le silicium présentant des textures polaires chirales et tourbillonnantes intéressantes, qui peuvent être stabilisées et même commutées de manière réversible par un champ électrique externe.
Les ferroélectriques à l'échelle nanométrique présentent une multitude de textures électromagnétiques polaires et parfois tourbillonnantes (chirales) qui représentent non seulement une physique fascinante, mais promettent également des applications dans la nanoélectronique future. Par exemple, le stockage de données à très haute densité ou les transistors à effet de champ extrêmement efficaces sur le plan énergétique. Toutefois, la stabilité de ces textures topologiques et la manière dont elles peuvent être contrôlées et orientées par un stimulus électrique ou optique externe constituent un point d'achoppement.
De nouvelles perspectives :
Une équipe dirigée par le professeur Catherine Dubourdieu (HZB et FU Berlin) vient de publier un article dans Nature Communications qui ouvre de nouvelles perspectives. Avec des partenaires du CEMES-CNRS de Toulouse, de l'Université de Picardie d'Amiens et de l'Institut Jozef Stefan de Ljubljana, ils ont étudié de manière approfondie une classe particulièrement intéressante de nano-îlots sur silicium et ont exploré leur aptitude à la manipulation électrique.
Nanoplaques sur silicium
"Nous avons produit des nanostructures de BaTiO3 qui forment de minuscules îlots sur un substrat de silicium", explique M. Dubourdieu. Les nano-îlots sont de forme trapézoïdale, avec des dimensions de 30 à 60 nm (sur le dessus), et présentent des domaines de polarisation stables. "En ajustant finement la première étape de la passivation de la tranche de silicium, nous avons pu induire la nucléation de ces nano-îlots", explique Dong-Jik Kim, un scientifique de l'équipe de Dubourdieu.
Modèles de domaines étudiés par PFM
Ces domaines peuvent être commutés de manière réversible par un champ électrique. Les motifs des domaines ont été étudiés à l'aide de la microscopie à force de piézo-réponse (PFM) verticale et latérale. "Les données de mesure PFM et la modélisation du champ de phase indiquent une polarisation centrée et convergente vers le bas, ce qui correspond parfaitement aux informations fournies par la microscopie électronique à transmission à balayage (STEM)", explique Ibukun Olaniyan, étudiant en doctorat.
Commutation réversible
Les scientifiques ont notamment pu détecter une composante tourbillonnante autour de l'axe du nano-îlot, à l'origine de la chiralité. "La texture ressemble à un tourbillon de liquide s'écoulant dans un entonnoir qui se rétrécit", explique M. Dubourdieu. "Les nanodomaines à conversion centrale vers le bas peuvent être transformés de manière réversible en nanodomaines à conversion centrale vers le haut par un champ électrique externe", souligne-t-elle.
"Dans ce travail, nous avons montré que les textures topologiques chirales peuvent être stabilisées en façonnant les nanostructures de manière appropriée", ajoute Mme Dubourdieu. La possibilité de créer et de manipuler électriquement des textures chirales, tourbillonnantes et polaires dans les nanostructures de BaTiO3 est très prometteuse pour de futures applications.
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Publication originale
Ibukun Olaniyan, Iurii Tikhonov, Valentin Väinö Hevelke, Sven Wiesner, Leifeng Zhang, Anna Razumnaya, Nikolay Cherkashin, Sylvie Schamm-Chardon, Igor Lukyanchuk, Dong-Jik Kim, Catherine Dubourdieu; "Switchable topological polar states in epitaxial BaTiO3 nanoislands on silicon"; Nature Communications, Volume 15, 2024-11-20
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