De nouvelles découvertes éclairent de vieux débats sur le comportement des matériaux ferroélectriques lorsqu’ils sont exposés à des champs électriques. Ces découvertes découlent de l’utilisation d’une technique novatrice qui permet aux chercheurs d’observer en temps réel le comportement des parois de domaines dans les matériaux ferroélectriques lors des processus de « poling » et de « depoling ».
Les matériaux ferroélectriques sont utilisés dans une large gamme de technologies, des capteurs aux actionneurs, et leurs propriétés électriques sont essentielles à leur utilité. Il est bien établi que l’on peut aligner les différents domaines d’un matériau ferroélectrique en appliquant un champ électrique – qu’il soit continu (DC) ou alternatif (AC). C’est ce qu’on appelle le « poling ». Cependant, un débat important subsiste sur ce qui se passe exactement pendant le processus de poling.
« Nous sommes désormais capables d’observer ce qui se passe en temps réel, ce qui nous donne un aperçu plus profond des mécanismes en jeu – ce qui éclairera notre capacité à concevoir des matériaux pour produire les caractéristiques électriques recherchées », explique Jun Liu, co-auteur correspondant de deux articles sur ces travaux et professeur agrégé de génie mécanique et aérospatial à la North Carolina State University.
« Avant ces travaux, on pouvait mesurer l’état de polarisation d’un matériau, puis appliquer un champ électrique, puis mesurer à nouveau l’état de polarisation », explique Kara Peters, co-auteur correspondant des articles et professeure émérite de génie mécanique et aérospatial à NC State. « On pouvait donc voir l’avant et l’après, mais sans comprendre ce qui motive la transition. »
Les techniques conventionnelles pour mesurer l’état de polarisation d’un matériau nécessitent de capturer plusieurs images de l’échantillon et de modifier la polarisation optique de la source lumineuse à chaque image. Les chercheurs peuvent alors mesurer les changements dans la polarisation électrique du matériau en analysant les données obtenues.
« Nous avons développé une technique qui nous permet de capturer les changements de polarisation dans un matériau ferroélectrique en une seule image », explique Peters. « Nous y parvenons en divisant un faisceau de lumière blanche en plusieurs longueurs d’onde, chacune ayant une polarisation optique différente. Nous pouvons ainsi capturer toutes les données pertinentes en une seule prise. Le facteur limitant ici est la fréquence d’images de votre caméra, vous pouvez donc capturer jusqu’à des milliers d’images par seconde – même si nous n’avons capturé que 100 images par seconde pour cet article. C’était tout ce dont nous avions besoin. »
« Cette technique nous a permis de voir comment les frontières entre les domaines du matériau – les parois de domaines – se déplacent et changent en réponse à l’introduction d’un champ électrique », explique Liu.
Il y a eu de nombreux débats parmi les chercheurs sur ce qui se passe réellement lors de ces processus de poling. L’un de ces débats portait sur la question de savoir si l’application d’un champ AC entraînait une polarisation rapidement alternée du matériau pendant que le champ était appliqué.
« Cela était auparavant impossible à résoudre à une fréquence d’images élevée en utilisant une seule image, et nous ne pouvions donc pas voir ce qui se passait pendant que le champ était effectivement appliqué – nous ne pouvions voir que l’avant et l’après, ou à une fréquence d’images bien inférieure à la vitesse à laquelle le changement se produit réellement », explique Xiaoning Jiang, co-auteur correspondant des articles et professeur émérite Dean F. Duncan de génie mécanique et aérospatial à NC State. « Et oui, la polarisation alterne bien lorsqu’un champ AC est appliqué. Nous avons pu éclairer plusieurs de ces débats. »
« La nouvelle technique offre un aperçu sans précédent sur comment le poling AC, le poling DC et le depoling électrique influencent la polarisation du matériau », explique Liu. « Pouvons-nous utiliser cela pour développer de meilleurs protocoles qui nous permettront de mieux concevoir les matériaux ferroélectriques ? C’est une question que nous explorerons dans de futurs travaux. »
Un article de revue sur le comportement des parois de domaines lorsqu’elles sont exposées à un champ électrique est publié en libre accès dans la revue Advanced Science. Les co-auteurs principaux de cet article sont Ziqi Wang et Anastasia Timofeeva, tous deux anciens doctorants à NC State ; et Zhengze Xu, doctorant actuel. Un troisième co-auteur correspondant est Xiaoning Jiang, professeur émérite Dean F. Duncan de génie mécanique et aérospatial à NC State. L’article a été co-écrit par Hossam Elnaggar et Yusen Pei, doctorants à NC State ; Reece Henry, chercheur postdoctoral à NC State ; Sipan Liu, ancien postdoctorant à NC State ; Brendan O’Connor, professeur de génie mécanique et aérospatial à NC State ; Eunkyoung Shim, professeure associée de génie textile à NC State ; et Franky So, professeur émérite Walter et Ida Freeman de science et génie des matériaux à NC State.
Un article de revue axé spécifiquement sur la nouvelle méthode de capture d’images des parois de domaines ferroélectriques a été publié dans Review of Scientific Instruments. Le premier auteur de cet article est Timofeeva. Les co-auteurs correspondants sont Peters, Jiang et Liu. Les co-auteurs sont Wang, Xu, Liu, Pei, Elnaggar, So et Shim.
Article : Real-time Ferroelectric Domain Wall Dynamics During Electric Poling and Depoling – Journal : Advanced Science – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : NCSU
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