Membranes et bicouches torsadées d'oxydes pour une stabilisation exotique des états polaires pour des nano-matériaux multi-fonctions – CHECKMATE

CHECKMATE vise à fabriquer des membranes d'oxydes autoportantes (OM) et des bicouches d'oxydes torsadées ("twistées", TOB) pour explorer de nouveaux phénomènes de polarisation. En contrôlant les interactions entre matériaux ferroélectriques (FE) et antiferroélectriques (AFE), le projet cherche à stabiliser de nouvelles phases polaires à l’échelle nanométrique, ouvrant la voie à des propriétés inédites pour l’électronique et le stockage d’énergie. Il réunit trois laboratoires français—LPS (Université Paris-Saclay), SPMS (CentraleSupélec) et LAF (Université Paris-Saclay)—ainsi que deux groupes taïwanais (NTHU et NCKU). Ces équipes combinent des expertises en croissance de films minces d’oxydes, en caractérisation structurale et en modélisation théorique, permettant une exploration approfondie des oxydes twistés et de leurs applications.
Les films d’oxydes présentent des propriétés variées, des transitions métal-isolant (MIT) ((La,Ca)MnO3), la ferroélectricité (PbTiO3, BaTiO3, BiFeO3), l’antiferroélectricité (PbZrO3, PbSnO3, PbHfO3) ou la multiferroïcité (BiFeO3). Les films minces épitaxiés classiques permettent l’ingénierie des interfaces mais sont limités par les contraintes du substrat. CHECKMATE contourne ces limites en fabriquant des OM autoportantes et en les empilant en TOB, offrant un contrôle précis du couplage interfacial, de la contrainte et des effets de brisure de symétrie. Les films minces seront synthétisés par dépôt PLD, suivis d’un lift-off chimique et d’un transfert pour former des structures twistées. En exploitant l’ingénierie de Moiré, le projet explorera l’effet des angles de twist et des recuits sur les propriétés émergentes. CHECKMATE se concentrera sur les bicouches de type FE-FE, FE-AFE et AFE-AFE afin d’étudier des textures et des paysages de polarisation exotiques, notamment :
- La création et le contrôle de textures polaires chirales dans des bicouches FE-FE (déjà observées en 2024) ou MIT-FE.
- Le contrôle de l’empreinte électrique dans les bicouches FE-AFE (analogue au biais d’échange en magnétisme).
- L’exploration des bicouches AFE-AFE pour la capacitance négative.
Des techniques de caractérisation avancées permettront une gestion optimisée des interfaces grâce à :
- La 4D-STEM et la ptychographie électronique pour l’imagerie structurale haute résolution,
- La cartographie locale de la polarisation via PFM-STEM,
- L’imagerie synchrotron pour sonder l’interaction des ordres ferroïques,
- Des études en température (XRD, Raman, mesures diélectriques) pour suivre les transitions de phase.
Un défi majeur de CHECKMATE est la compréhension et le contrôle des interactions aux interfaces. Des simulations ab-initio et de modèles hamiltoniens permettront de prédire la stabilité des phases, le couplage inter-couches et les reconstructions induites par Moiré.
Au-delà des découvertes fondamentales, CHECKMATE explorera les applications des TOB : les condensateurs à base d’AFE offrent un stockage d’énergie haute densité grâce à leur grande différence de polarisation et leur commutation rapide. Les bicouches twistées pourraient améliorer ces performances par une optimisation des contraintes. Un enjeu clé pour l’électronique basse consommation, la capacitance négative (NC) permet une commutation efficace au-delà de la limite de Boltzmann. Les bicouches AFE-AFE, avec leurs paysages énergétiques complexes, pourraient étendre les régions de NC avec une hystérésis minimale, un domaine inexploré mais prometteur.
En résumé, CHECKMATE ouvre une voie dans l’exploration des propriétés des oxydes par l’ingénierie de Moiré dans des bicouches twistées. Grâce à une fabrication innovante, des techniques de caractérisation avancées et une modélisation théorique, le projet révélera de nouveaux états de polarisation et leurs applications. La collaboration avec les partenaires taïwanais permettra aux laboratoires français d’acquérir un savoir-faire stratégique, positionnant la France parmi les leaders de ce domaine émergent.