Un oxyde aux propriétés vraiment multiples !

B. Kundys, M. Viret, D. Colson (IRAMIS/SPEC) et D. O. Kundys

Les chercheurs de l'IRAMIS/SPEC viennent de montrer qu'en plus du couplage entre polarisation électrique, magnétisme et distorsion du réseau cristallin, l'oxyde BiFeO₃ présente un couplage entre éclairement et déformation. Du fait de ces couplages, ce type de matériaux « multifonctionnels » offre la possibilité de commuter, sous l'action d'un signal externe d'une nature donnée (éclairement, contrainte, champ magnétique ou électrique externe), une propriété du matériau de nature différente (aimantation, polarisation électrique, déformation…). La possibilité d'observer l'ensemble de ces couplages (photostriction, électromagnétisme, électrostriction …) dans un même matériau, ouvre la voie à la conception d'une très grande variété de capteurs avec un extraordinaire potentiel applicatif.

Les matériaux multiferroïques sont prometteurs pour de potentielles applications dans les mémoires d'ordinateurs car ils offrent la possibilité de contrôler une aimantation par un champ électrique. Cet effet magnétoélectrique est connu depuis près de 50 ans, mais jusqu'à ces dernières années son intérêt est resté limité à certains matériaux exotiques et à basses températures. Depuis le début des années 2000, la perspective de leur utilisation dans des éléments mémoires dans lesquels ils permettraient de réduire considérablement les pertes d'énergie et l'échauffement qui en découle, a poussé une ferrite de bismuth, BiFeO₃, sur le devant de la scène. Ce matériau est en effet antiferromagnétique et ferroélectrique à température ambiante avec un couplage entre ces deux ordres qui donne la possibilité de contrôler l'état magnétique par un champ électrique.

Les matériaux ferroélectriques sont généralement aussi piézoélectriques, c'est-à-dire qu'une distorsion mécanique du matériau est associée à sa polarisation électrique. Il a récemment été démontré qu'en plus de toutes ces propriétés, BiFeO₃ est aussi photovoltaïque, c'est-à-dire que la lumière est à même de générer des porteurs de charges au sein du matériau. Par conséquent, BiFeO₃ offre la possibilité de coupler, polarisation électrique, distorsion, magnétisme et lumière au sein d'un même matériau et ce jusqu'à des températures de plusieurs centaines de degrés. Dans l'article « Light-induced size changes in BiFeO₃ crystals, » publié dans Nature Materials, nous mettons en évidence l'interaction entre la lumière et la distorsion, un phénomène assez peu étudié appelé photostriction. Un cristal de BiFeO₃ illuminé par un laser, ou même de la lumière dans le spectre visible, se dilate légèrement avec une élongation (Dl/l) de l'ordre de 10^-5. Cette propriété est qualitativement expliquée par la combinaison des effets photovoltaïque (la lumière génère un champ électrique interne) et piézoélectrique (le champ électrique distord le matériau). Il apparait donc que BiFeO₃ a un extraordinaire potentiel applicatif pour capteurs de toutes sortes couplant la lumière, le champ électrique, le champ magnétique et les contraintes mécaniques.

Référence :

D. O. Kundys : Optoelectronics Research Centre, Southampton Uiversity, Southampton SO17 1BJ, UK

– Le communiqué de presse du CEA.