Photostriction Ultra-rapide dans les Domaines, Parois et Nanostructures Ferroélectriques – UP-DOWN

Le projet UP-DOWN vise à établir les fondements pour la conception de nano-transducteurs et actuateurs mécaniques du futur à base de matériaux ferroélectriques contrôlés par la lumière. Pour cela, le processus de photostriction ultra-rapide (contrôle de la déformation par la lumière) sera étudié du point de vue fondamental dans des ferroélectriques types, puis exploité pour développer de premiers micro-nano-dispositifs. Nous proposons notamment de contrôler la déformation mécanique sur une gamme de fréquences étendue jusqu’au 100GHz-1THz. Cette fréquence va bien au-delà de la fréquence limite actuelle des transducteurs/actuateurs mécaniques située le domaine des MHz (en raison de l’emploi d’un stimulus électrique intrinsèquement limité en fréquence par la technologie électronique). Dans ce projet, nous montrerons que des impulsions de lumière courtes permettent d’exciter des matériaux ferroélectriques dans le régime GHz-THz et ce sans contact. Cependant, pour garantir l’efficacité du processus une compréhension fine des mécanismes de photostriction est nécessaire, à la fois dans les domaines et dans les parois ferroélectriques, données absentes actuellement dans la littérature. De plus, le recours à des matériaux ferroélectriques à petit gap permettrait d’optimiser la performance des processus photostrictifs. Ainsi, notre projet est naturellement structuré en 3 axes (3 WP). Par son caractère fondamental et son objectif de démonstration de principe de fonctionnement de dispositifs, nous situons notre projet au niveau 3 dans l’échelle TRL-Technologies Readiness Level.
Le premier WP concerne la compréhension du rôle des domaines et des parois de domaines dans le processus piézoélectrique inverse qui pilote la photostriction. Cet effet piézoélectrique inverse est obtenu par écrantage transitoire rapide du champ de dépolarisation (écrantage induit par des paires d’électron-trou excitées optiquement par impulsion laser). Pour cela nous allons mener une étude systématique de la réponse photostrictive dans différents ferroélectriques connus et maîtrisés par les partenaires (BiFeO3, Pb(Zr,Ti)O3, BaTiO3) dont les domaines (taille, densité, orientation) seront contrôlés par Microscopie à PiezoForce (PFM) ou par contrainte d’épitaxie. Nous étudierons l’émission d’onde acoustique GHz-THz de polarisation LA (longitudinale), TA (transversale) ou de surface GHz (SAW), et quantifierons les contraintes photo-induites à l’échelle atomique en combinant des expériences d’optique et de diffraction des rayons X résolues en temps (pompe-sonde).
Le second WP vise à proposer de nouveaux matériaux ferroélectriques photostrictifs plus efficaces que ceux actuellement utilisés. Pour cela, nous privilégierons un fort coefficient piézoélectrique et un petit gap (dans le visible) pour une injection (à moindre coût) de porteurs électron-trou dans les domaines et parois de domaines ferroélectriques. Différentes solutions solides de matériaux ferroélectriques nouvellement découverts seront élaborées et caractérisées.
Enfin, tourné vers les futurs dispositifs, le projet UP-DOWN propose dans son dernier WP des dispositifs de géométrie condensateurs et des leviers micro-nanostructurés obtenus par micro-nanofabrication. Les premiers dispositifs seront des couches minces ferroélectriques (PZT, BTO) avec des électrodes intégrées lors du processus de fabrication, permettant de contrôler in-situ la polarisation ferroélectrique et donc d’adapter la réponse photostrictive. Cette approche sera ensuite transférée sur des dispositifs auto-portés comme des micro-nano-leviers.