Tyndere antiferroelektriske stoffer bliver ferroelektriske

Reduceret ud over en vis størrelse bliver antiferroelektriske materialer ferroelektriske. Dette nye resultat fra forskere i USA og Frankrig viser, at størrelsesreduktion kan bruges til at aktivere uventede egenskaber i oxidmaterialer og faktisk en række andre teknologisk vigtige systemer.

Antiferroelektriske materialer består af regelmæssigt gentagne enheder, som hver har en elektrisk dipol - en positiv ladning parret med en negativ. Disse dipoler veksler gennem materialets krystallinske struktur, og en sådan regelmæssig afstand betyder, at antiferroelektriske stoffer har nul nettopolarisering på makroskalaen.

Mens ferroelektrik også er krystallinsk, har de normalt to stabile tilstande med to lige store og modsatte elektriske polariseringer. Det betyder, at dipolerne i de gentagende enheder alle peger i samme retning. Polariseringen af ​​dipolerne i et ferroelektrisk materiale kan også vendes ved at påføre et elektrisk felt.

Takket være disse elektriske egenskaber kan antiferroelektriske stoffer bruges i energilagringsapplikationer med høj tæthed, mens ferroelektriske stoffer er gode til hukommelseslagring.

Direkte sondering af den størrelsesdrevne faseovergang

I deres arbejde, som er detaljeret i Advanced Materials, forskerne ledet af Ruijuan Xu of North Carolina University studeret den antiferroelektriske natriumniobite (NaNbO₃). Mens tidligere teoretiske undersøgelser forudsagde, at der skulle være en antiferroelektrisk-til-ferroelektrisk faseovergang, da dette materiale blev gjort tyndere, var en sådan størrelseseffekt ikke blevet verificeret eksperimentelt. Dette skyldtes, at det var vanskeligt fuldstændigt at adskille effekten fra andre fænomener, såsom belastningen, der opstod fra gittermismatchet mellem materialefilmen og substratet, den var blevet dyrket på.

For at overvinde dette problem løftede Xu og kolleger filmen af ​​underlaget ved at indføre et offerlag (som de derefter opløste) mellem de to materialer. Denne metode gjorde det muligt for dem at minimere substrateffekten og direkte sondere den størrelsesdrevne faseovergang i det antiferroelektriske materiale.

Forskerne fandt ud af, at når NaNbO₃ film var tyndere end 40 nm, de blev fuldstændig ferroelektriske, og at mellem 40 nm til 164 nm indeholder materialet ferroelektriske faser i nogle områder og antiferroelektriske faser i andre.

Spændende opdagelse

"En af de spændende ting, vi fandt, var, at når de tynde film var i det område, hvor der var både ferroelektriske og antiferroelektriske områder, kunne vi gøre de antiferroelektriske områder ferroelektriske ved at påføre et elektrisk felt," siger Xu. "Og denne ændring var ikke reversibel. Med andre ord kunne vi gøre den tynde film fuldstændig ferroelektrisk ved tykkelser på op til 164 nm."

Ifølge forskerne kommer de faseændringer, de observerede i meget tynde antiferroelektriske materialer, i takt med, at filmens overflade forvrænges. Ustabiliteter ved overfladen bølger i hele materialet – noget der ikke er muligt, når materialet er tykkere.

Ferroelektriske domænevægsdioder bliver fleksible

"Vores arbejde viser, at disse størrelseseffekter kan bruges som en effektiv tuning-knap til at aktivere uventede egenskaber i oxidmaterialer," fortæller Xu Fysik verden. "Vi forventer at opdage flere nye fænomener i andre oxidmembransystemer ved at bruge disse effekter."

Forskerne siger, at de arbejder på at fremstille NaNbO₃ tyndfilmsbaserede enheder til at undersøge de elektriske egenskaber på makroskalaen. "Vi håber at være i stand til at manipulere fasestabiliteten og opnå forbedrede elektriske egenskaber i disse enheder, hvilket vil være nyttigt til potentielle anvendelser," siger Xu.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/thinner-antiferroelectrics-become-ferroelectric/