Dünnere Antiferroelektrika werden ferroelektrisch

Ab einer bestimmten Größe werden antiferroelektrische Materialien ferroelektrisch. Dieses neue Ergebnis von Forschern in den USA und Frankreich zeigt, dass die Größenreduktion verwendet werden könnte, um unerwartete Eigenschaften in Oxidmaterialien und tatsächlich in einer Reihe anderer technologisch wichtiger Systeme einzuschalten.

Antiferroelektrische Materialien bestehen aus sich regelmäßig wiederholenden Einheiten, die jeweils einen elektrischen Dipol haben – eine positive Ladung gepaart mit einer negativen. Diese Dipole wechseln sich durch die kristalline Struktur des Materials ab, und ein solcher regelmäßiger Abstand bedeutet, dass Antiferroelektrika auf der Makroskala eine Null-Nettopolarisation aufweisen.

Während Ferroelektrika ebenfalls kristallin sind, haben sie normalerweise zwei stabile Zustände mit zwei gleichen und entgegengesetzten elektrischen Polarisationen. Das bedeutet, dass die Dipole in den sich wiederholenden Einheiten alle in die gleiche Richtung zeigen. Die Polarisierung der Dipole in einem ferroelektrischen Material kann auch durch Anlegen eines elektrischen Feldes umgekehrt werden.

Dank dieser elektrischen Eigenschaften können Antiferroelektrika in Energiespeicheranwendungen mit hoher Dichte verwendet werden, während Ferroelektrika gut für Speicher geeignet sind.

Direkte Untersuchung des größengesteuerten Phasenübergangs

In ihrer Arbeit, die detailliert in Fortgeschrittene Werkstoffe, führten die Forscher durch Ruijuan Xu of Universität von North Carolina untersuchten das antiferroelektrische Natriumniobit (NaNbO₃). Während frühere theoretische Studien vorhersagten, dass es einen Phasenübergang von antiferroelektrisch zu ferroelektrisch geben sollte, wenn dieses Material dünner gemacht wurde, war ein solcher Größeneffekt experimentell nicht verifiziert worden. Dies lag daran, dass es schwierig war, den Effekt vollständig von anderen Phänomenen zu trennen, wie beispielsweise der Spannung, die aus der Gitterfehlanpassung zwischen dem Materialfilm und dem Substrat, auf dem er aufgewachsen war, entsteht.

Um dieses Problem zu lösen, hoben Xu und Kollegen den Film vom Substrat ab, indem sie eine Opferschicht (die sie dann auflösten) zwischen die beiden Materialien einführten. Mit dieser Methode konnten sie den Substrateffekt minimieren und den größenabhängigen Phasenübergang im antiferroelektrischen Material direkt untersuchen.

Die Forscher fanden heraus, dass wenn das NaNbO₃ Filme dünner als 40 nm waren, wurden sie vollständig ferroelektrisch, und dass das Material zwischen 40 nm und 164 nm in einigen Bereichen ferroelektrische Phasen und in anderen antiferroelektrische Phasen enthält.

Spannende Entdeckung

„Eines der aufregendsten Dinge, die wir herausfanden, war, dass wir, wenn sich die Dünnschichten in einem Bereich befanden, in dem es sowohl ferroelektrische als auch antiferroelektrische Bereiche gab, die antiferroelektrischen Bereiche durch Anlegen eines elektrischen Felds ferroelektrisch machen konnten“, sagt Xu. „Und diese Veränderung war nicht umkehrbar. Mit anderen Worten, wir könnten den dünnen Film bei Dicken von bis zu 164 nm vollständig ferroelektrisch machen.“

Den Forschern zufolge kommen die Phasenänderungen, die sie in sehr dünnen antiferroelektrischen Materialien beobachtet haben, dadurch zustande, dass sich die Oberfläche der Filme verformt. Instabilitäten an der Oberfläche wellen sich durch das Material – was bei dickeren Materialien nicht möglich ist.

Ferroelektrische Domänenwanddioden werden flexibel

„Unsere Arbeit zeigt, dass diese Größeneffekte als effektiver Einstellknopf verwendet werden können, um unerwartete Eigenschaften in Oxidmaterialien einzuschalten“, sagt Xu Physik-Welt. „Wir gehen davon aus, dass wir mithilfe dieser Effekte weitere auftauchende Phänomene in anderen Oxidmembransystemen entdecken werden.“

Die Forscher sagen, dass sie an der Herstellung von NaNbO arbeiten₃ dünnschichtbasierte Geräte zur Untersuchung der elektrischen Eigenschaften auf der Makroskala. „Wir hoffen, in diesen Geräten die Phasenstabilität manipulieren und verbesserte elektrische Eigenschaften erzielen zu können, die für potenzielle Anwendungen nützlich sein werden“, sagt Xu.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/thinner-antiferroelectrics-become-ferroelectric/