Ohuemmista antiferrosähköisistä aineista tulee ferrosähköisiä

Kun antiferrosähköiset materiaalit pienenevät tietyn koon yli, ne muuttuvat ferrosähköisiksi. Tämä yhdysvaltalaisten ja ranskalaisten tutkijoiden uusi tulos osoittaa, että koon pienentämistä voitaisiin käyttää odottamattomien ominaisuuksien aktivoimiseen oksidimateriaaleissa ja jopa monissa muissa teknologisesti tärkeissä järjestelmissä.

Antiferrosähköiset materiaalit koostuvat säännöllisesti toistuvista yksiköistä, joissa jokaisessa on sähködipoli – positiivinen varaus pariksi negatiivisen kanssa. Nämä dipolit vaihtelevat materiaalin kiderakenteen kautta, ja tällainen säännöllinen etäisyys tarkoittaa, että antiferrosähköisillä aineilla on nolla nettopolarisaatiota makromittakaavassa.

Vaikka ferrosähköiset materiaalit ovat myös kiteisiä, niillä on yleensä kaksi vakaata tilaa, joissa on kaksi yhtäläistä ja vastakkaista sähköistä polarisaatiota. Tämä tarkoittaa, että toistuvien yksiköiden dipolit osoittavat kaikki samaan suuntaan. Ferrosähköisen materiaalin dipolien polarisaatio voidaan kääntää myös päinvastaiseksi käyttämällä sähkökenttää.

Näiden sähköisten ominaisuuksien ansiosta antiferrosähköisiä aineita voidaan käyttää korkeatiheyksisiin energian varastointisovelluksiin, kun taas ferrosähköiset ovat hyviä muistin tallentamiseen.

Kokoohjatun vaihemuutoksen suoraan mittaaminen

Heidän työssään, joka on kuvattu yksityiskohtaisesti Advanced Materials, johtamat tutkijat Ruijuan Xu of Pohjois-Carolinan yliopisto tutki antiferrosähköistä natriumniobiittia (NaNbO₃). Vaikka aikaisemmat teoreettiset tutkimukset ennustivat, että antiferrosähköisestä ferrosähköiseksi faasisiirtymä pitäisi tapahtua, kun tästä materiaalista tehtiin ohuempi, tällaista kokovaikutusta ei ollut varmistettu kokeellisesti. Tämä johtui siitä, että vaikutusta oli vaikea erottaa kokonaan muista ilmiöistä, kuten materiaalikalvon ja alustan, jolle sitä oli kasvatettu, hila-epäsopimattomuudesta aiheutuneesta jännityksestä.

Tämän ongelman voittamiseksi Xu ja kollegat nostivat kalvon pois alustalta asettamalla uhrautuvan kerroksen (jonka he sitten liukesivat) kahden materiaalin väliin. Tämä menetelmä antoi heille mahdollisuuden minimoida substraattivaikutuksen ja tutkia suoraan kokoohjattua faasimuutosta antiferrosähköisessä materiaalissa.

Tutkijat havaitsivat, että kun NaNbO₃ kalvot olivat ohuempia kuin 40 nm, ne muuttuivat täysin ferrosähköisiksi ja että 40 nm - 164 nm välillä materiaali sisältää ferrosähköisiä faaseja joillakin alueilla ja antiferrosähköisiä faaseja toisilla.

Jännittävä löytö

"Yksi jännittävistä asioista, jonka löysimme, oli se, että kun ohuet kalvot olivat alueella, jossa oli sekä ferrosähköisiä että antiferrosähköisiä alueita, voimme tehdä antiferrosähköisistä alueista ferrosähköisiä käyttämällä sähkökenttää", Xu sanoo. "Ja tämä muutos ei ollut peruutettavissa. Toisin sanoen voisimme tehdä ohuesta kalvosta täysin ferrosähköisen jopa 164 nm:n paksuudella."

Tutkijoiden mukaan erittäin ohuissa antiferrosähköisissä materiaaleissa havaitsemat faasimuutokset syntyvät kalvojen pinnan vääristyessä. Pinnan epävakaus aaltoilee läpi materiaalin – mikä ei ole mahdollista, kun materiaali on paksumpaa.

Ferrosähköiset verkkoalueen seinädiodit muuttuvat joustaviksi

"Työmme osoittaa, että näitä kokoefektejä voidaan käyttää tehokkaana viritysnupina aktivoimaan odottamattomia ominaisuuksia oksidimateriaaleissa", Xu kertoo. Fysiikan maailma. "Odotamme löytävämme lisää esiin nousevia ilmiöitä muissa oksidikalvojärjestelmissä näitä vaikutuksia käyttämällä."

Tutkijat sanovat työskentelevänsä NaNbO:n valmistamisessa₃ ohutkalvopohjaiset laitteet sähköisten ominaisuuksien mittaamiseen makromittakaavassa. "Toivomme, että pystymme manipuloimaan vaiheen vakautta ja saamaan parempia sähköisiä ominaisuuksia näissä laitteissa, mikä on hyödyllistä mahdollisissa sovelluksissa", Xu sanoo.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/thinner-antiferroelectrics-become-ferroelectric/