Ces travaux de recherche ont été menés par une équipe de recherche WPI-MANA ​​dirigée par le chercheur principal Minoru Osada et le directeur Takayoshi Sasaki, au sein du NIMS. Les dispositifs électroniques sont de plus en plus miniaturisés, mais les matériaux et technologies actuels présentent des limites à leur miniaturisation. Les matériaux diélectriques à constante diélectrique élevée (high-κ) pourraient être la clé du développement des dispositifs électroniques de demain.
Minoru Osada et ses collègues ont créé des nanofilms diélectriques haute performance à partir de nanofilms de pérovskite 2D (Ca₂Nam₋₃NbmO₃ₘ₊₁ ; m = 3-6). Les oxydes de pérovskite offrent un potentiel considérable pour le contrôle de leurs nombreuses propriétés électroniques, notamment leurs propriétés diélectriques à constante diélectrique élevée et leurs propriétés ferroélectriques.
Les chercheurs ont démontré la synthèse ciblée de nanofilms composés de nanofeuilles de pérovskite 2D disposées en cellules superposées. Dans ce système unique, les nanofeuilles de pérovskite permettent un contrôle précis de l'épaisseur des couches, par incréments d'environ 0,4 nm (une unité de pérovskite), en modifiant le nombre d'éléments m. Cette ingénierie à l'échelle atomique améliore la réponse diélectrique élevée et réduit l'instabilité ferroélectrique locale. Le composé m = 6 (Ca₂Na₃Nb₆O₁₉) a atteint la constante diélectrique la plus élevée, εᵣ ≈ 470, jamais obtenue parmi tous les diélectriques connus dans la région ultra-mince (inférieure à 10 nm).
Les nanofeuilles de pérovskite présentent un intérêt technologique majeur pour l'étude des diélectriques à constante diélectrique élevée (κ) dans les matériaux 2D, qui offrent un potentiel considérable pour des applications électroniques telles que les mémoires, les condensateurs et les IGBT. Notamment, ces nanofeuilles de pérovskite présentent des capacités élevées grâce à leurs valeurs de κ élevées, même à l'échelle moléculaire. Le Ca₂Na₃Nb₆O₁₉ a ainsi atteint une densité de capacité sans précédent d'environ 203 μF cm⁻², soit près de trois ordres de grandeur supérieure à celle des condensateurs céramiques actuellement disponibles, ouvrant la voie à des condensateurs ultra-miniaturisés à haute densité.
Ces résultats offrent une stratégie pour obtenir des diélectriques/ferroélectriques 2D à κ élevé destinés à être utilisés dans l'électronique à très grande échelle et dans les technologies post-graphène.
 
Référence
Li, B.-W., Osada M., Kim Y.-H., Ebina Y., Akatsuka K., Sasaki T. Ingénierie de couches atomiques de la ferroélectricité à haute permittivité dans les pérovskites 2D. J. Am. Chem. Soc. 139, 10868-10874 (2017)

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