Los antiferroeléctricos más delgados se vuelven ferroeléctricos

Reducidos más allá de cierto tamaño, los materiales antiferroeléctricos se vuelven ferroeléctricos. Este nuevo resultado, de investigadores de EE. UU. y Francia, muestra que la reducción de tamaño podría usarse para activar propiedades inesperadas en materiales de óxido y, de hecho, una variedad de otros sistemas tecnológicamente importantes.

Los materiales antiferroeléctricos consisten en unidades que se repiten regularmente, cada una de las cuales tiene un dipolo eléctrico: una carga positiva emparejada con una negativa. Estos dipolos se alternan a través de la estructura cristalina del material y tal espaciado regular significa que los antiferroeléctricos tienen polarización neta cero en la macroescala.

Si bien los ferroeléctricos también son cristalinos, generalmente tienen dos estados estables con dos polarizaciones eléctricas iguales y opuestas. Esto significa que todos los dipolos en las unidades repetitivas apuntan en la misma dirección. La polarización de los dipolos en un material ferroeléctrico también se puede invertir aplicando un campo eléctrico.

Gracias a estas propiedades eléctricas, los antiferroeléctricos se pueden usar en aplicaciones de almacenamiento de energía de alta densidad, mientras que los ferroeléctricos son buenos para el almacenamiento de memoria.

Sondeo directo de la transición de fase impulsada por el tamaño

En su trabajo, que se detalla en Materiales avanzados, los investigadores dirigidos por Ruijuán Xu of Universidad de Carolina del Norte estudió la niobita de sodio antiferroeléctrica (NaNbO₃). Si bien estudios teóricos previos predijeron que debería haber una transición de fase antiferroeléctrica a ferroeléctrica a medida que este material se hacía más delgado, dicho efecto de tamaño no se había verificado experimentalmente. Esto se debió a que era difícil separar por completo el efecto de otros fenómenos, como la tensión que surge del desajuste de la red entre la película de material y el sustrato en el que se había desarrollado.

Para superar este problema, Xu y sus colegas levantaron la película del sustrato introduciendo una capa de sacrificio (que luego disolvieron) entre los dos materiales. Este método les permitió minimizar el efecto del sustrato y sondear directamente la transición de fase impulsada por el tamaño en el material antiferroeléctrico.

Los investigadores encontraron que cuando el NaNbO₃ las películas eran más delgadas que 40 nm, se volvieron completamente ferroeléctricas, y entre 40 nm y 164 nm, el material contiene fases ferroeléctricas en algunas regiones y fases antiferroeléctricas en otras.

emocionante descubrimiento

“Una de las cosas emocionantes que encontramos fue que cuando las películas delgadas estaban en el rango donde había regiones ferroeléctricas y antiferroeléctricas, podíamos hacer que las regiones antiferroeléctricas fueran ferroeléctricas aplicando un campo eléctrico”, dice Xu. “Y este cambio no fue reversible. En otras palabras, podríamos hacer que la película delgada sea completamente ferroeléctrica en espesores de hasta 164 nm”.

Según los investigadores, los cambios de fase que observaron en materiales antiferroeléctricos muy delgados se producen cuando la superficie de las películas se distorsiona. Las inestabilidades en la superficie se propagan por todo el material, algo que no es posible cuando el material es más grueso.

Los diodos de pared de dominio ferroeléctrico se vuelven flexibles

"Nuestro trabajo muestra que estos efectos de tamaño se pueden usar como un botón de ajuste efectivo para activar propiedades inesperadas en materiales de óxido", dice Xu. Mundo de la física. "Esperamos descubrir más fenómenos emergentes en otros sistemas de membranas de óxido utilizando estos efectos".

Los investigadores dicen que están trabajando en la fabricación de NaNbO₃ Dispositivos basados ​​en películas delgadas para sondear las propiedades eléctricas en la macroescala. “Esperamos poder manipular la estabilidad de fase y obtener propiedades eléctricas mejoradas en estos dispositivos, lo que será útil para aplicaciones potenciales”, dice Xu.

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