Une façon d’identifier et de corriger ces défauts consiste à mesurer la distribution spatiale des propriétés électriques de ces dispositifs. Cependant, les sondes de capteur standard n’offrent pas la résolution spatiale requise et ne peuvent déterminer que les propriétés électriques moyennées dans l’espace. De ce fait, il est possible de détecter uniquement la présence de défauts, pas leur emplacement.

Heureusement, les gouttelettes de cristaux liquides (LCD) – des gouttelettes de matière molle de la taille d’un micron avec un ordre d’orientation moléculaire – offrent de l’espoir sur ce front. Les écrans LCD réagissent fortement aux stimuli externes tels qu’un champ électrique et peuvent ainsi agir comme une sonde à haute résolution.

Capitalisant sur cette promesse, le Dr Shinji Bono et le professeur Satoshi Konishi de l’Université Ritsumeikan, au Japon, ont maintenant utilisé des écrans LCD pour visualiser les propriétés électriques des électrodes microstructurées via une technique appelée électrométrie par imagerie de particules. Leurs résultats ont été publiés dans le volume 13 de la revue Scientific Reports le 16 mars 2023.

Le Dr Bono explique la méthodologie de recherche. « Les LCD ont été dispersés sur des microélectrodes disposées dans une structure en forme de peigne au sommet d’une plaque de verre. Leurs orientations moléculaires, déterminées à l’aide de la microscopie optique polarisée, ont été distribuées de manière aléatoire lorsque le champ électrique était absent. Ensuite, une tension a été appliquée aux électrodes. » Pour cette raison, les LCD entre les électrodes et devant les extrémités des électrodes ont subi une rotation, leurs orientations moléculaires s’alignant perpendiculairement et parallèlement aux électrodes, respectivement. Cet alignement, révélé par les simulations COMSOL réalisées par les chercheurs, correspondait à la direction du champ électrique, et se produisait plus rapidement avec l’augmentation de la tension. On a trouvé que la fréquence de relaxation de la rotation variait comme le carré de la tension appliquée.

De plus, à des tensions élevées, les LCD ont montré une translation (mouvement linéaire) vers les électrodes, en particulier leurs extrémités, les régions avec une densité d’énergie électrostatique maximale. Sur la base de ce comportement, les chercheurs pourraient produire un réseau d’écrans LCD via une modulation périodique de la densité d’énergie dans un dispositif MEMS micro-capacitif. Le réseau LCD, à son tour, servait de modulateur périodique de l’indice de réfraction, un nombre caractérisant la capacité de flexion de la lumière d’un matériau.

Ces résultats démontrent ainsi que les propriétés électriques des microélectrodes et des dispositifs microélectriques peuvent être visualisées simplement en observant le comportement en rotation et en translation des LCD sous champ électrique. De plus, la technique offre une haute résolution spatiale (10 μm) ainsi qu’une grande précision de détection (5 μV/μm). À la lumière de ces caractéristiques, le professeur Konishi fonde de grands espoirs sur ses applications. « Cela contribuera à améliorer la conception et la fabrication de dispositifs microélectriques intégrés en fournissant des informations sur l’emplacement du défaut, qui jusqu’à présent n’est pas disponible. À son tour, une technologie MEMS plus sophistiquée pourrait bientôt être disponible », conclut-il.