La chaleur est la principale source de perte d’énergie dans la plupart des processus industriels et des dispositifs électroniques. Pour gérer et réutiliser la chaleur plus efficacement, une étude menée par l’Université de Barcelone a développé un prototype de mémoire thermique capable de contrôler le flux de chaleur avec de petites tensions électriques. Cette innovation, publiée dans la revue Advanced Materials, a des implications potentielles pour la gestion intelligente de la chaleur, la conversion d’énergie et la récupération d’énergie thermique.
L’étude est dirigée par le professeur Eric Langenberg, du Département de physique de la matière condensée de la Faculté de physique et de l’Institut de nanoscience et nanotechnologie (IN2UB) de l’UB, et le premier auteur est l’expert Dídac Barneo (UB-IN2UB).
Participent également des experts du Centre de recherche en chimie biologique et matériaux moléculaires (CiQUS), basé à l’Université de Saint-Jacques-de-Compostelle ; de l’Institut des sciences des matériaux de Madrid (ICMM-CSIC) ; de l’Institut des sciences des matériaux de Barcelone (ICMAB-CSIC) ; et de l’Université de Saragosse (UNIZAR).
Contrôler la chaleur dans les dispositifs électroniques
L’étude aborde l’un des principaux défis de l’électronique moderne : contrôler la chaleur dans les dispositifs électroniques. « Cette recherche pourrait ouvrir la voie au développement d’une nouvelle technologie de stockage d’informations basée sur la chaleur plutôt que sur l’électricité », affirme le professeur Langenberg.
Le prototype est constitué d’une structure solide formée d’une couche d’or sur une couche ultra-mince (sept nanomètres d’épaisseur) d’un oxyde ferroélectrique de hafnium-zirconium (Hf0,5Zr0,5O2), déposée sur un substrat conducteur d’ions oxygène (zircone stabilisée à l’yttrium, YSZ).
Lorsque de petites tensions sont appliquées entre l’or et le substrat, la conductivité thermique de l’oxyde ferroélectrique commute de manière réversible entre deux états : une conductivité thermique élevée (avec des tensions positives) ou une conductivité thermique faible (avec des tensions négatives).
« La tension appliquée permet de définir deux états thermiques différents et de moduler à volonté la facilité avec laquelle la chaleur traverse le matériau. Comme ces deux états de conductivité thermique restent stables même lorsque la tension est supprimée, le dispositif devient une mémoire thermique non volatile », explique Langenberg.
Ce comportement repose sur un mécanisme physique jamais utilisé auparavant pour contrôler le transport de la chaleur avec un champ électrique : le couplage de la polarisation ferroélectrique avec la migration des lacunes d’oxygène. Ces lacunes sont de petits défauts qui diffusent les phonons et entravent leur passage. Les phonons sont l’unité vibratoire de base dans les structures solides, un peu comme les électrons dans le cas de l’électricité. « Ainsi, une concentration élevée de lacunes d’oxygène dans l’oxyde ferroélectrique d’oxyde de hafnium-zirconium entravera le passage des phonons (faible conductivité thermique), contrairement à une faible concentration de lacunes (conductivité thermique élevée) », explique Dídac Barneo, également membre du Département de physique de la matière condensée.
Ces lacunes d’oxygène peuvent se déplacer à travers la structure solide sous l’effet d’un champ électrique. Les tensions négatives attirent ces lacunes, tandis que les tensions positives les repoussent. « Si une tension négative est appliquée à travers la couche d’or, l’oxyde ferroélectrique présente une faible conductivité thermique. Inversement, lorsque des tensions positives sont appliquées, le résultat est une conductivité thermique élevée », note Barneo.
Mais la tension appliquée seule ne peut expliquer le phénomène de mémoire. « Il existe un composant crucial pour la fonctionnalité mémoire et la stabilité des états thermiques : la polarisation de l’oxyde ferroélectrique, qui agit comme une vanne empêchant les lacunes d’oxygène de se redistribuer lorsque la tension est supprimée. Cet effet permet de conserver les deux états thermiques et transforme le dispositif en une mémoire thermique », expliquent les experts.
Des électrons aux phonons : défis de la physique du solide
Ce dispositif est le premier prototype fonctionnel développé dans le cadre du projet e-PHONONBIT (Design of phononic bits with electrical control in films and epitaxial superstructures based on ferroelectric oxides), dirigé par le professeur Langenberg. Dans le cadre de l’étude, l’équipe de l’UB a conçu le mécanisme physique qui explique le fonctionnement de la mémoire thermique, coordonné les différentes collaborations expérimentales et théoriques et intégré toutes les données dans l’interprétation globale de l’étude.
À l’avenir, les performances du nouveau dispositif devront être améliorées afin d’augmenter la différence de conductivité thermique entre les deux états, de permettre son fonctionnement à température ambiante (il fonctionne actuellement à 200 °C) et de réduire le temps de commutation entre les deux états thermiques (de quelques minutes à quelques millisecondes).
« L’idée est d’explorer différentes combinaisons de matériaux ferroélectriques, de conducteurs ioniques (en particulier les lacunes d’oxygène) et de substrats pour relever ces trois défis », explique Eric Langenberg.
« À plus long terme, nous visons à développer de nouvelles architectures informatiques basées sur les phonons. Contrôler le transport des phonons avec un champ électrique est un véritable défi en physique du solide. Nous sommes à l’aube de la phononique ; seul le temps nous dira jusqu’où cette nouvelle discipline nous mènera », conclut le chercheur.
Article : The Coupling of Ferroelectric Polarization and Oxygen Vacancy Migration Enables Electrically Controlled Thermal Memories – Journal : Advanced Materials – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Barcelone U.
