Des chercheurs du C2N, en collaboration avec des collègues de l'Université de Picardie Jules Verne, ont réalisé la première étude de la réponse piézoélectrique dans des MEMS (systèmes micro-électromécaniques) à base de couches minces épitaxiées de BiFeO3. Les dispositifs présentent des performances électromécaniques supérieures à celles de l’état de l’art dans des cantilevers piézoélectriques, notamment à base des matériaux PZT (Pb(Zr,Ti)O3) et PMN-PT (Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3). Grâce à sa faible constante diélectrique et à sa composition sans plomb, le BiFeO3 pourrait remplacer les piézoélectriques classiques à base de plomb dans de nombreux microdispositifs.
Le BiFeO3 (BFO) est un matériau prometteur pour de nombreuses applications, en particulier dans les systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS), en raison de sa polarisation ferroélectrique élevée et commutable et de sa composition sans plomb. En vue de l’amélioration des performances des dispositifs, le BFO est préféré sous forme de films minces épitaxiés, avec des orientations cristallines particulières, présentant des propriétés ferroélectriques et piézoélectriques robustes. La croissance de films de BFO sur silicium est particulièrement importante pour la compatibilité des dispositifs avec la technologie des semi-conducteurs. Parmi les MEMS, les micro-leviers utilisant une réponse piézoélectrique transversale (mode 31) sont des structures prototypes pour l'actionnement et la détection. Seules quelques études ont récemment rapporté l'intégration de films de BFO dans des micro-leviers, et elles se sont toutes concentrées sur des films de BFO polycristallins intégrés dans des micro-leviers d’épaisseur micrométrique. La réponse piézoélectrique des MEMS basés sur des films de BFO épitaxiés n'a pas été étudiée jusqu'à présent, tandis que les films minces épitaxiés suscitent une attention considérable en raison de leurs propriétés souvent supérieures aux films minces polycristallins. Dans ce contexte, l'intégration de BFO épitaxié dans des micro-leviers et l'étude de leur réponse piézoélectrique apparaissent particulièrement opportunes et importantes technologiquement.
Dans ce travail, des couches minces de BiFeO3 dopées au Mn de 200 nm d'épaisseur ont été élaborées par croissance épitaxiale par ablation laser pulsé (PLD) sur des substrats de Si (001) en utilisant des couches tampons de (001) SrRuO3/(001) SrTiO3. Les films ont été structurés en micro-leviers, en tant que dispositifs prototypes d’ actionnement piézoélectrique. Les dispositifs présentent une excellente réponse ferroélectrique avec une polarisation rémanente de 55 µC/cm2. Les MEMS épitaxiés de BiFeO3 présentent une réponse piézoélectrique très élevée avec un coefficient piézoélectrique transversal d31 atteignant 83 pm/V. Les micro-leviers de BiFeO3 obtiennent des performances électromécaniques rapport courbure/champ électrique) supérieures à celles des micro-leviers piézoélectriques à l’état de l’art, y compris ceux à base du matériau PZT bien connu (Pb(Zr,Ti)O3) et du PMN–PT hyperactif ( Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3). De plus, la piézoélectricité dans les MEMS de BiFeO3 dépend de la direction de la polarisation ferroélectrique, avec une asymétrie observée de 53% du coefficient d31 avec la polarité de la tension électrique appliquée. Cette réponse piézoélectrique asymétrique pourrait provenir de l'effet flexoélectrique, qui fournirait une première mesure du coefficient flexoélectrique µ dans le BFO (µ= -51 nC/m). De plus, cet effet flexoélectrique pourrait être exploité pour améliorer encore plus les performances électromécaniques des dispositifs. Ces résultats montrent qu'en tirant parti de la faible constante diélectrique de BiFeO3, une alternative prometteuse s'ouvre pour développer des MEMS piézoélectriques en remplacement de ceux qui intègrent actuellement des matériaux piézoélectriques conventionnels de la famille des pérovskites à base de plomb.
Références
High piezoelectricity in epitaxial BiFeO3 microcantilevers
Sylvia Matzen1, Stéphane Gable1, Nathan Lequet1, Said Yousfi2, Komalika Rani1, Thomas Maroutian1, Guillaume Agnus1, Houssny Bouyanfif2, Philippe Lecoeur1
Applied Physics Letters 121, 142901 (2022)
https://doi.org/10.1063/5.0105404
Affiliations
1 Centre for Nanoscience and Nanotechnology - C2N (CNRS, Paris-Saclay University), 91120 Palaiseau, France
2 Laboratoire de Physique de la Matière Condensée UR2081, Université de Picardie Jules Verne, 80000 Amiens, France
Contact C2N
Sylvia Matzen
Figure : (a) Déflection sous l’application d’une tension d'un cantilever de BiFeO3. Encart : Image 3D de profilométrie optique. (b) Extraction du coefficient piézoélectrique
Mots-clefs
epitaxial oxides, thin films, MEMS, piezoelectric properties
