Des chercheurs de l’Institut MIPT des technologies quantiques ont créé une mémoire ferroélectrique ultra-flexible et extensible sur une plateforme biocompatible. Ils ont développé une technologie pour produire une mémoire de film, un support pour tester ses propriétés et ont théoriquement confirmé les résultats de tests expérimentaux. Le « lecteur flash » résultant, d'une épaisseur de seulement 30 micromètres, peut résister à 150 000 cycles de flexion et à une charge de traction d'un kilo et demi sans perdre ses propriétés ferroélectriques, et peut être utilisé pour créer une électronique médicale flexible. La recherche a été publiée dans la revue Advanced Electronic Materials.
Une mémoire flexible est nécessaire dans diverses applications : écrans pliables, papier électronique, textiles électroniques. Des dispositifs de conception similaire à la mémoire flexible peuvent être utilisés dans les dispositifs à énergie verte pour convertir la contrainte mécanique en énergie électrique et recharger les batteries.
Son utilisation dans le domaine de la santé est très prometteuse. Des capteurs portables intelligents pourraient être fixés sur la peau humaine pour lire en temps réel, par exemple, la tension artérielle, le pouls, la température corporelle – et les enregistrer et les traiter immédiatement. Ou encore, il serait possible de réaliser des implants « intelligents ». Par exemple, des implants neuronaux qui contiendraient des microcontrôleurs et une mémoire non volatile. De tels dispositifs peuvent aider au traitement de maladies neurologiques associées à une activité cérébrale altérée : épilepsie, maladie de Parkinson, dépression clinique sévère, etc.
Les dispositifs de stockage à base de matériaux ferroélectriques sont non volatils, vous permettent de lire et d'écrire rapidement des données, disposent d'une longue ressource pour la réécriture des informations, d'une faible consommation d'énergie et de dimensions compactes.
Les travaux des chercheurs du MIPT visaient à créer une mémoire ferroélectrique flexible adaptée spécifiquement aux applications biomédicales. Des films de polyimide organiques ont été choisis comme plate-forme biocompatible, et un film ferroélectrique d'oxyde de hafnium dopé au zirconium, de 10 nm d'épaisseur, a été choisi comme matériau de mémoire non volatile.
« Les films d'oxyde de hafnium présentent des propriétés ferroélectriques lorsqu'ils sont très fins : de 4 à 30 nanomètres, alors qu'avec d'autres matériaux, une épaisseur de plus de 100 nanomètres est nécessaire. Par conséquent, nous nous attendions à ce que le matériau soit très flexible et conserve ses propriétés ferroélectriques lors de la flexion et de diverses déformations mécaniques », commente Anastasia Chuprik, responsable du Laboratoire des concepts avancés de stockage de données au MIPT.
Ensuite, les scientifiques ont développé une technologie en plusieurs étapes pour produire une « clé USB » biocompatible flexible et un support pour tester les propriétés mécaniques. Pour confirmer les résultats obtenus dans l'expérience, des calculs théoriques de mécanique quantique ont été effectués, qui expliquent le rôle des contraintes mécaniques dans les propriétés ferroélectriques de la mémoire du film.
« La technologie permettant de produire un dispositif sur un substrat est très complexe et comporte plusieurs étapes. Mais cela a permis d'obtenir une très petite épaisseur de l'échantillon du dispositif », explique Anastasia Chuprik. « Et pour montrer que l'appareil possède des propriétés mécaniques sans précédent - il peut résister à des pliages répétés en deux - nous avons développé une installation complète. Nous avons démontré ici que l'appareil peut résister à 150 000 cycles de flexion et d'étirement avec une charge d'un kilo et demi. Nous ne serions pas en mesure d’atteindre de tels chiffres manuellement.
Malgré tous les tests effectués par les chercheurs avec la clé USB à film, celle-ci a conservé ses propriétés ferroélectriques.
Selon les scientifiques, ils ont porté cette mémoire flexible à un stade de développement assez élevé, alors que dans une installation de test des propriétés mécaniques et ferroélectriques, cette « puce » à film flexible est simplement insérée dans un connecteur standard pour lire les informations.
Grâce au travail effectué, il a été possible non seulement de créer le dispositif lui-même doté de propriétés mécaniques uniques. Une technologie sophistiquée de production de films minces à « mémoire » sur un substrat flexible et biocompatible a été créée, et un banc a été développé pour tester les propriétés mécaniques et ferroélectriques. L'appareil pourrait devenir un prototype de mémoire pour l'électronique portable et médicale. La technologie et le banc d'essai utilisés contribueront à créer de nouveaux éléments d'électronique flexible et à améliorer les dispositifs de mémoire existants.
Les travaux ont été réalisés avec le soutien financier de la Fondation russe pour la science (projet n° 20-19-00370).
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