Les matériaux ferroélectriques sont constitués de domaines où les dipôles électriques sont tous alignés dans la même direction. La manipulation de ces domaines par un champ électrique assure le fonctionnement peu énergivore de dispositifs électroniques à base de matériaux ferroélectriques.

Dans cet article, nous mettons en lumière une transition inverse, car en apparence contraire aux principes fondamentaux de la thermodynamique, au sein de couches minces ferroélectriques. Sous l’effet de l’augmentation progressive de la température, la phase constituée de domaines labyrinthiques sinueux se mue en une phase à symétrie réduite dans laquelle les domaines adoptent un arrangement rectiligne unidirectionnel.

Nos modélisations numériques basées sur l’approche d’un Hamiltonien effectif dérivé des premiers principes permettent la compréhension de cette transformation inverse par l’augmentation des contributions entropiques des parois de domaines et la diffusion de défauts topologiques qu’elles engendrent. Ces calculs numériques sont effectués pour des couches minces de matériaux ferroélectriques (Pb(Zr0.4Ti0.6)O3 et BiFeO3) intensivement étudiés pour leur potentiel applicatif. Cette transition inverse est également observée expérimentalement dans des couches minces de BiFeO3, ce qui suggère l’universalité du phénomène dans les oxydes ferroélectriques. Des cartographies de conductivité résolues à l’échelle nanométrique révèlent que les défauts topologiques de la phase labyrinthique présentent une conductivité cinquante fois supérieure à celle des parois de domaines. Ainsi la transition inverse associée à la diffusion de défauts topologiques peut être détectée électriquement, ouvrant la voie à de possibles applications.

(en haut) Transition inverse d’une structure en labyrinthe de domaines ferroélectriques vers une structure ordonnée en rayures de plus faible symétrie en augmentant la température. (en bas) Les expériences sur des films minces de BiFeO3 confirment ces simulations numériques et indiquent que les défauts topologiques piégés dans la structure en labyrinthe possèdent une forte conductivité.

Référence :
Inverse transition of labyrinthine domain patterns in ferroelectric thin films
Y. Nahas, S. Prokhorenko, J. Fischer, B. Xu, C. Carrétéro, S. Prosandeev, M. Bibes, S. Fusil, B. Dkhil, V. Garcia, L. Bellaiche
Nature 577, 47-51 (2020)

Contacts : Vincent Garcia ou Stéphane Fusil, Unité Mixte de Physique CNRS/Thales, Palaiseau

Collaborations :
Physics Department and Institute for Nanoscience and Engineering, University of Arkansas, USA
School of Physical Science and Technology, Soochow University, China
Institute of Physics and Physics Department of Southern Federal University, Russia
Université d’Evry, Université Paris-Saclay, 91025 Evry, France
Laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des Solides, CentraleSupélec, France