Une image optique polarisée de vermiculite LC 2D montrant des couleurs d'interférence. Crédit : ©Science China Press
Les chercheurs ont découvert la ferroélectricité dans la vermiculite 2D, augmentant ainsi la réactivité aux champs électriques des cristaux liquides et ouvrant la voie à des écrans innovants à grande échelle.
Les dispositifs à cristaux liquides électro-optiques (LC) aux applications étendues constituent la pierre angulaire de la société de l'information, car ils peuvent moduler de manière continue et dynamique l'intensité lumineuse, la polarisation et le retard de phase. Un ancien aperçu théorique propose qu'un matériau LC présentant à la fois une anisotropie géométrique extrêmement grande et un dipôle électrique inhérent devrait grandement améliorer la réactivité au champ électrique des LC.
Cependant, ni les molécules LC organiques commerciales ni les nanomatériaux LC R&D ne répondent aux deux avantages susmentionnés, alors que de telles LC n'ont pas été signalées jusqu'à présent. Pour l’instant, la communauté des LC reste des questions ouvertes quant à l’existence d’un tel LC et à la limite supérieure de sa réactivité au champ électrique.
Découverte de la ferroélectricité dans la vermiculite
En réponse à ces questions, pour la première fois, l'équipe de recherche dirigée par le professeur Bilu Liu de la Tsinghua Shenzhen International Graduate School de l'Université Tsinghua révèle la ferroélectricité d'un minéral argileux centenaire, la vermiculite, dans sa limite monocouche. La vermiculite bidimensionnelle (2D) possède une anisotropie géométrique extrêmement grande et la ferroélectricité lui confère un dipôle électrique inhérent.
En dispersant de la vermiculite 2D dans de l’eau déminéralisée, l’équipe de recherche prépare une dispersion LC avec des fragments ferroélectriques 2D. Sa réactivité au champ électrique, c'est-à-dire le coefficient de Kerr, augmente la valeur record du coefficient de Kerr d'un ordre de grandeur.
Considérant que la LC vermiculite 2D représente une nouvelle classe de LC lyotropique inorganique avec des matériaux ferroélectriques 2D, les connaissances physiques fournies dans ce travail, telles que la relation entre la réactivité et l'anisotropie géométrique des matériaux LC, ont une universalité pour d'autres LC similaires potentielles.
a) Image AFM de vermiculite 2D. b) Carte d’amplitude PFM de la vermiculite 2D. c) Carte de phase PFM de la vermiculite 2D. d. Comparaison de la réactivité au champ électrique de la vermiculite LC 2D et d'autres médias. Crédit : ©Science China Press
Avancées technologiques et applications futures
La percée de la réactivité au champ électrique permet un champ électrique opérationnel ultra-faible et la fabrication de dispositifs LC électro-optiques avec une séparation des électrodes au niveau du pouce, ce qui n'était pas pratique auparavant. Un panneau d'affichage prototype à grande échelle et économe en énergie avec des pixels à l'échelle du pouce a été fabriqué pour des scènes interactives en extérieur, sur lesquelles les lettres et les chiffres peuvent être affichés contrôlés par un logiciel de smartphone ou des gestes humains.
« Scientifiquement, nous proposons une nouvelle stratégie pour concevoir des LC inorganiques avancées ou des systèmes de type LC avec une réactivité sensible aux champs électriques. La clé est de préparer une dispersion de matériaux ferroélectriques 2D à partir d’une masse en couches. Le professeur Bilu Liu a déclaré : « D'un autre point de vue, les preuves inspirantes sur la ferroélectricité 2D dans les minéraux naturels en couches offrent de nouvelles opportunités pour la production évolutive et l'application pratique des matériaux ferroélectriques de van der Waals.
La recherche reçoit un financement de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, du ministère de l'Éducation de la province du Guangdong, du Conseil municipal de l'innovation scientifique et technologique de Shenzhen et de la Tsinghua Shenzhen International Graduate School.
