Des chercheurs de l'université Christian-Albrechts de Kiel (CAU) ont désormais trouvé un moyen de se passer de cette étape supplémentaire de polarisation. Dansrevue Science, le Dr Stefan Schröder, qui dirige un sous-groupe indépendant au sein de la chaire du professeur Franz Faupel, montre comment son équipe parvient à polariser certains polymères dès leur fabrication grâce au dépôt chimique en phase vapeur initié (iCVD). Cet effet était jusqu’à présent inconnu.

Le potentiel de surface apparaît lors du revêtement

Cette découverte a été faite dans le cadre de travaux sur les couches minces d'électrets. Les électrets sont des matériaux qui génèrent en permanence un champ électrique, tout comme un aimant de réfrigérateur reste magnétique en permanence. L'équipe a travaillé avec différentes molécules pouvant servir de matières premières pour des revêtements polymères. 

« Au départ, nous voulions simplement comprendre quelles propriétés de polarisation électrique présentaient à leur surface les molécules que nous utilisons », explique Schröder. Lorsqu’il a fabriqué, avec ses collègues, des films polymères à partir de ces molécules et qu’ils ont étudié leur potentiel de surface, ils ont fait une découverte inattendue : les couches généraient un potentiel de surface pouvant atteindre 24 volts, alors que personne n’avait auparavant appliqué de champ électrique externe. Apparemment, les films polymères s’étaient polarisés d’eux-mêmes dès leur fabrication.

« La polarisation se produit dès la phase de revêtement », explique Schröder. La structure des molécules utilisées joue ici un rôle déterminant : leur charge électrique est souvent répartie de manière inégale, ce qui leur confère une orientation électrique spécifique. 

La polymérisation stabilise l'état

Le procédé de fabrication est tout aussi important : grâce à la technique iCVD, les chercheurs assemblent ces molécules gazeuses pour former une fine couche de macromolécules ou de polymères. Dans ce procédé particulièrement doux, la polarisation se produit spontanément. En revanche, lorsque ces mêmes matières premières ont été transformées en polymères par un autre procédé que le dépôt en phase vapeur, l'équipe n'a observé aucun potentiel électrique.

Les chercheurs sont en mesure d’influencer de manière ciblée l’intensité du potentiel de surface ainsi généré. Ils parviennent désormais à produire des couches présentant un potentiel pouvant atteindre 100 volts. Ces potentiels de surface élevés apparaissent dans des revêtements extrêmement fins : les couches étudiées par les chercheurs ne mesurent que dix nanomètres à un micromètre d’épaisseur et sont donc invisibles à l’œil nu. Le potentiel de surface augmente avec l’épaisseur de la couche de polymère. Schröder et ses collègues ont également pu modifier de manière ciblée la direction de la polarisation en choisissant les matières premières utilisées.

Un autre avantage de ce procédé réside dans le fait que la polymérisation stabilise cet état : une fois alignées, les molécules ne peuvent plus se déplacer librement et restent immobilisées. Le potentiel électrique est ainsi maintenu dans les conditions ambiantes. À des températures plus élevées, par exemple 90 degrés Celsius, le revêtement perd à nouveau sa polarisation.

Nouvelles fonctionnalités pour les revêtements polymères minces

Cette nouvelle méthode ouvre de nombreuses perspectives pour de futures applications. Les films polymères autopolarisants pourraient par exemple être utilisés dans l'électronique, les capteurs, les technologies énergétiques ou encore aux interfaces biologiques. 

L'un des avantages particuliers de ce procédé réside dans sa capacité à recouvrir de manière homogène même des surfaces aux formes complexes. À l'avenir, il serait ainsi possible de générer de manière ciblée des champs électriques sur des surfaces tridimensionnelles. L'équipe estime que ces revêtements pourraient, à long terme, contribuer à réduire la consommation d'énergie des composants électroniques.

« Pour les applications industrielles, il est très intéressant que les films polymères n’aient pas besoin d’être polarisés de manière externe et que les potentiels de surface puissent être réglés avec précision », explique le Dr Torge Hartig, spécialiste des sciences des matériaux, qui est également l’un des auteurs de l’étude et qui a fondé l’entreprise Conformally en collaboration avec Schröder et d’autres collègues de l’Université Christian-Albrechts de Kiel (CAU). « De plus, les films polymères polarisés existants contiennent généralement des PFAS. Grâce à ce nouvel effet, il est désormais possible de fabriquer des films polymères polarisés plus durables et sans PFAS. »

Avec Conformally, Hartig et son équipe transposent la technologie iCVD de la recherche vers des applications industrielles. Ce procédé permet de recouvrir de manière particulièrement fine et uniforme même des surfaces aux formes complexes. Ces films polymères auto-polarisants seraient très demandés partout où des champs électriques sont nécessaires directement à la surface : par exemple dans les capteurs, les détecteurs ou les composants microélectroniques, tels qu’on les trouve notamment dans les téléphones portables. L’équipe d’auteurs estime également que des applications dans le domaine des cellules solaires sont envisageables.