Un recuit de précision porte la sensibilité piézoélectrique des semiconducteurs à des niveaux records

Des signaux de téléphone portable plus forts, des capteurs plus précis et une énergie plus propre pourraient être obtenus en ajoutant une simple étape au processus de fabrication industriel de certains matériaux semiconducteurs, selon une étude récente menée par des chercheurs en ingénierie de l'Université du Michigan.

Matériaux piézoélectriques : omniprésents dans notre quotidien

Les matériaux semiconducteurs capables de convertir le stress mécanique en électricité — une propriété appelée piézoélectricité — sont des composants essentiels des technologies que nous utilisons chaque jour. Dans les téléphones, ils filtrent le signal entrant de l'antenne pour réduire le bruit. Dans les voitures, ils déclenchent l'airbag et surveillent la pression des pneus.

Une amélioration spectaculaire par recuit

« Notre équipe a amélioré de manière spectaculaire la réponse piézoélectrique d'un film de nitrure d'aluminium et de scandium, un semiconducteur émergent pour la microélectronique et la photonique de nouvelle génération, en utilisant un processus de recuit assez simple », déclare Zetian Mi, professeur titulaire de la chaire Pallab K. Bhattacharya et auteur correspondant de l'étude publiée dans Nature Communications.

En chauffant le film à 700 °C pendant deux heures dans une chambre spécialisée, l'équipe de Mi a amélioré la piézoélectricité du matériau huit fois au-delà de celle utilisée dans la technologie actuelle sur le marché.

Applications transformatrices

À cette échelle, les matériaux piézoélectriques ont le potentiel de transformer les technologies dans tous les secteurs, de l'aérospatiale à la santé en passant par l'énergie. Une sensibilité accrue à la pression et aux vibrations pourrait améliorer les capteurs surveillant la sécurité des équipements et la santé structurelle, faire progresser les procédures d'échographie et permettre aux feux de circulation d'être alimentés par le grondement des camions sur la route.

Comprendre le mécanisme

Les chercheurs ont également découvert comment le processus de chauffage améliore les propriétés du matériau, en corrigeant les défauts dans les fines couches de minuscules cristaux.

« La réponse piézoélectrique de ce matériau est une contribution de "grains" structurels orientés dans une direction particulière. Lorsque les films sont simplement déposés, ces grains ne sont souvent pas parfaitement orientés, certains ne contribuant pas efficacement à la réponse piézoélectrique globale », explique Shubham Mondal, doctorant en génie électrique et informatique à l'U-M et co-premier auteur.

« Le processus de recuit donne une énergie supplémentaire au film, permettant aux grains de mieux s'orienter. C'est en partie ainsi que leur réponse piézoélectrique augmente », ajoute Md Mehedi Hasan Tanim, également doctorant et co-premier auteur.

Vers une amélioration encore plus grande

L'équipe prévoit de tester le processus de recuit sur du nitrure d'aluminium et de scandium déposé par des méthodes offrant des matériaux de meilleure qualité, comme l'épitaxie par faisceau moléculaire, pour voir si la réponse piézoélectrique peut être encore améliorée.

En attendant, Mi souligne que le matériau et le traitement nécessaires pour une performance piézoélectrique améliorée sont pratiquement identiques aux standards de fabrication actuels. Les enseignements de l'étude permettent à l'industrie de faire progresser considérablement les capacités de leurs produits sans coûts supplémentaires majeurs.