Le comportement ferroélectrique unique du ferrite de gallium enfin démontré

Les matériaux ferroïques présentent une propriété physique spontanée contrôlable par l’application d’un stimulus extérieur, comme un champ électrique. Les propriétés concernées peuvent être l’aimantation, la polarisation électrique ou la déformation élastique, et on parle alors respectivement de matériaux ferromagnétiques, ferroélectriques et ferroélastiques. Si le matériau combine plusieurs de ces propriétés, il est dit multiferroïque. Ces cas de figures, avec si possible un couplage des propriétés impliquées, sont particulièrement recherchés en spintronique, une forme d’électronique qui prend en compte le spin des électrons et qui est source de nouvelles possibilités pour le stockage des données. Seuls deux matériaux sont connus pour être multiferroïques à température ambiante, dont le ferrite de gallium (Ga_0.6Fe_1.4O₃). Si son comportement ferromagnétique était bien établi, il en allait tout autrement de sa ferroélectricité, et cela compromettait son potentiel applicatif. On ne comprenait pas comment sa polarisation électrique pouvait se retourner et on mettait même en doute qu’elle le puisse réellement. Des chercheurs de l’Institut de physique et chimie des matériaux de Strasbourg (IPCMS, CNRS/Université de Strasbourg), du Laboratoire de cristallographie et sciences des matériaux (CRISMAT, CNRS/ENSI Caen/Université de Caen Normandie) et de l’Institut Jean Lamour (IJL, CNRS/Université de Lorraine) ont cependant prouvé que le ferrite de gallium combine bien ferromagnétisme et ferroélectricité, puis révélé le mécanisme de retournement de la polarisation.

Les chercheurs ont pour cela réalisé des études en microscopie électronique en transmission, à plusieurs échelles, sur des couches minces de ferrite de gallium. Ils ont ainsi constaté que certains cations de fer et de gallium pouvaient échanger leurs positions au sein de la structure cristalline du matériau, mais seulement au niveau des parois qui séparent deux domaines de polarisations opposées. Les co-auteurs ont ainsi compris que le retournement de la polarisation n’était possible qu’en présence de telles parois. Il se produit par déplacement de la paroi et par la mobilité de cations de proche en proche en son sein. Ces travaux ouvrent la voie à de nouvelles applications pour le ferrite de gallium, ainsi qu’à l’espoir de découvrir de nouveaux matériaux multiferroïques à température ambiante, dont la ferroélectricité pourrait être basée sur le même mécanisme.

Rédacteur : CCdM