Un matériau largement utilisé dans les produits du quotidien subit une transformation remarquable à l’échelle atomique, acquérant une propriété électrique qui pourrait redéfinir les technologies de puces futures.
Le TiO₂, qui n’est pas ferroélectrique à l’origine, présente un comportement ferroélectrique lorsque son épaisseur descend en dessous de 3 nanomètres.
Cette transition de phase provient de l’évolution structurale interne du matériau. À mesure que les films de TiO₂ s’amincissent, les distorsions du réseau cristallin s’intensifient, finissant par briser la structure centrosymétrique et par induire un état de polarisation électrique commutable.
Cette phase ferroélectrique reste stable jusqu’à une épaisseur d’environ 1 nanomètre, soit environ deux fois la taille de la maille cristalline du TiO₂.
L’importance des matériaux ferroélectriques réside dans le fait que leur direction de polarisation peut être inversée de manière réversible par un champ électrique externe, et ce à des tensions de fonctionnement relativement basses, ce qui les rend très prometteurs pour des mémoires et des composants logiques à faible consommation énergétique.
« Le fait qu’un matériau diélectrique puisse subir une transition de phase ferroélectrique lorsqu’il est aminci à l’échelle atomique ouvre des perspectives passionnantes pour l’étude de la physique des transitions de phase et des mécanismes de distorsion polaire dans de nouveaux systèmes matériels », souligne le professeur Sayeef Salahuddin de l’Université de Californie à Berkeley, l’un des coauteurs de l’article.
Compression du dioxyde de titane à l’échelle atomique
En général, la réduction de l’épaisseur d’un matériau tend à affaiblir, voire à faire disparaître, la ferroélectricité. Par ailleurs, l’intégration de ferroélectriques ultraminces dans des dispositifs électroniques à base de silicium constitue depuis longtemps un défi technologique.
Pour trouver une percée, l’équipe a changé d’approche : plutôt que de comprimer des ferroélectriques connus, ils ont posé la question inverse – un matériau intrinsèquement non ferroélectrique peut-il le devenir s’il est suffisamment aminci ?
Cette idée s’appuie sur les travaux antérieurs de l’équipe en 2020, où ils avaient observé un basculement de la polarisation ferroélectrique dans un film d’oxyde d’hafnium de 1 nanomètre d’épaisseur, directement déposé sur du silicium. Forts de ce résultat, ils ont entrepris de rechercher d’autres matériaux susceptibles de présenter des propriétés ferroélectriques utiles à l’échelle atomique.
Ils ont choisi le TiO₂, un diélectrique largement utilisé dans l’industrie des semi-conducteurs, que l’on retrouve également dans des produits courants comme les pigments et les filtres ultraviolets.
« Sous sa forme massive, le TiO₂ est un diélectrique omniprésent, dont nous exploitons les propriétés optophysiques intéressantes dans de nombreuses applications, des crèmes solaires aux catalyseurs. Mais à l’échelle nanométrique, il révèle un phénomène scientifique extraordinaire – il devient ferroélectrique », explique le Dr Archana Raja, scientifique au Lawrence Berkeley National Laboratory et coautrice de l’étude.
L’équipe a cherché à déterminer s’il était possible d’induire des distorsions similaires par le seul contrôle de l’épaisseur, sans appliquer de pression externe. Ils ont fabriqué des films de TiO₂ d’épaisseurs comprises entre 1 et 10 nanomètres par dépôt de couches atomiques à des températures inférieures à 400 °C.
Ces films peuvent être déposés aussi bien sur des substrats en silicium que sur des surfaces amorphes, y compris la silice et le carbone. Alors que les dispositifs électroniques s’approchent sans cesse de la limite nanométrique, les chercheurs explorent activement des architectures de transistors de moins de 4 nanomètres, ces dimensions ultraminces devenant de plus en plus critiques dans les procédés de pointe.
Le seuil critique de 3 nanomètres
La transition décisive se produit en dessous d’environ 3 nanomètres d’épaisseur. Sur la ligne de lumière avancée du Berkeley Lab, les chercheurs ont sondé la structure électronique des films à l’aide de rayons X polarisés linéairement.
Les échantillons plus épais présentaient une absorption des rayons X quasiment identique dans toutes les directions, ce qui correspond à leur structure symétrique. En revanche, lorsque l’épaisseur descendait sous la barre des 3 nanomètres, l’absorption montrait une dépendance directionnelle marquée, témoignant de l’anisotropie associée à la distorsion polaire.
L’équipe a confirmé la rupture de symétrie au Molecular Foundry par la technique de génération de seconde harmonique. Lorsque l’épaisseur du film passait sous 3 nanomètres, le signal de seconde harmonique augmentait brutalement, fournissant un autre indicateur clé de la transformation structurale.
« Nous avons mesuré directement les distorsions cristallines, car les atomes se déplacent réellement pendant la transition de phase », ajoute Raja.
Les chercheurs ont également caractérisé la réponse ferroélectrique à l’aide de la microscopie à force piézoélectrique, de mesures de cycles polarisation-champ électrique et de tests d’impulsions « positive-up-negative-down ».
Ces mesures électriques ont toutes confirmé que les distorsions structurales s’accompagnent d’un véritable comportement ferroélectrique.
Une nouvelle voie pour découvrir des matériaux ferroélectriques
L’ensemble des résultats de mesure confirme que le TiO₂ ultramince passe d’une structure centrosymétrique initiale à une structure orthorhombique distordue. L’intensité de la distorsion du réseau augmente avec la diminution de l’épaisseur du film, et la phase ferroélectrique persiste jusqu’à une épaisseur de seulement 1 nanomètre.
Cette découverte ouvre de nouvelles perspectives pour le développement de matériaux fonctionnels ultraminces destinés aux mémoires et aux composants logiques basse consommation. Étant donné que le TiO₂ est déjà bien connu et largement utilisé dans la fabrication des semi-conducteurs, ce résultat pourrait favoriser le développement de dispositifs plus denses, plus rapides et moins énergivores, sans nécessiter de tout nouveaux procédés de fabrication.
Parallèlement, les chercheurs évaluent également d’autres systèmes de matériaux pour leur potentiel dans le calcul basse consommation. Il ne s’agit toutefois pas encore d’une technologie électronique mûre et directement applicable. Bien que l’étude ait démontré la formation d’une phase ferroélectrique sur des surfaces de silicium et amorphes, le développement de dispositifs pratiques nécessitera des tests supplémentaires sur la fiabilité du basculement, la durabilité et les performances électriques.
Les résultats de ces travaux ont été publiés dans la revue Science.
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