Gli antiferroelettrici più sottili diventano ferroelettrici

Ridotti oltre una certa dimensione, i materiali antiferroelettrici diventano ferroelettrici. Questo nuovo risultato, di ricercatori negli Stati Uniti e in Francia, mostra che la riduzione delle dimensioni potrebbe essere utilizzata per attivare proprietà inaspettate nei materiali di ossido e in effetti in una serie di altri sistemi tecnologicamente importanti.

I materiali antiferroelettrici sono costituiti da unità che si ripetono regolarmente, ognuna delle quali ha un dipolo elettrico, una carica positiva accoppiata con una negativa. Questi dipoli si alternano attraverso la struttura cristallina del materiale e tale spaziatura regolare significa che gli antiferroelettrici hanno polarizzazione netta zero sulla macroscala.

Sebbene anche i ferroelettrici siano cristallini, di solito hanno due stati stabili con due polarizzazioni elettriche uguali e opposte. Ciò significa che i dipoli nelle unità ripetitive puntano tutti nella stessa direzione. La polarizzazione dei dipoli in un materiale ferroelettrico può anche essere invertita applicando un campo elettrico.

Grazie a queste proprietà elettriche, gli antiferroelettrici possono essere utilizzati in applicazioni di accumulo di energia ad alta densità, mentre i ferroelettrici sono utili per l'archiviazione di memoria.

Sondaggio diretto della transizione di fase guidata dalle dimensioni

Nel loro lavoro, che è dettagliato in Materiale avanzato, i ricercatori guidati da Ruijuan Xu of Università della Carolina del Nord ha studiato il niobito di sodio antiferroelettrico (NaNbO₃). Mentre precedenti studi teorici prevedevano che ci dovrebbe essere una transizione di fase da antiferroelettrica a ferroelettrica poiché questo materiale è stato reso più sottile, un tale effetto dimensionale non era stato verificato sperimentalmente. Questo perché era difficile separare completamente l'effetto da altri fenomeni, come la deformazione derivante dalla discrepanza reticolare tra il film di materiale e il substrato su cui era cresciuto.

Per ovviare a questo problema, Xu e colleghi hanno sollevato la pellicola dal substrato introducendo uno strato sacrificale (che poi hanno dissolto) tra i due materiali. Questo metodo ha permesso loro di ridurre al minimo l'effetto del substrato e di sondare direttamente la transizione di fase guidata dalle dimensioni nel materiale antiferroelettrico.

I ricercatori hanno scoperto che quando il NaNbO₃ i film erano più sottili di 40 nm, sono diventati completamente ferroelettrici e che tra 40 nm e 164 nm il materiale contiene fasi ferroelettriche in alcune regioni e fasi antiferroelettriche in altre.

Emozionante scoperta

"Una delle cose interessanti che abbiamo scoperto è che quando i film sottili erano nell'intervallo in cui c'erano sia regioni ferroelettriche che antiferroelettriche, potevamo rendere ferroelettriche le regioni antiferroelettriche applicando un campo elettrico", afferma Xu. “E questo cambiamento non è stato reversibile. In altre parole, potremmo rendere il film sottile completamente ferroelettrico con spessori fino a 164 nm».

Secondo i ricercatori, i cambiamenti di fase che hanno osservato in materiali antiferroelettrici molto sottili si verificano quando la superficie dei film si distorce. Le instabilità sulla superficie si propagano in tutto il materiale, cosa che non è possibile quando il materiale è più spesso.

I diodi a parete del dominio ferroelettrico diventano flessibili

"Il nostro lavoro mostra che questi effetti dimensionali possono essere usati come un'efficace manopola di sintonia per attivare proprietà inaspettate nei materiali di ossido", dice Xu Mondo della fisica. “Ci aspettiamo di scoprire altri fenomeni emergenti in altri sistemi di membrane di ossido utilizzando questi effetti”.

I ricercatori dicono che stanno lavorando alla fabbricazione di NaNbO₃ dispositivi basati su film sottile per sondare le proprietà elettriche su macroscala. "Speriamo di essere in grado di manipolare la stabilità di fase e ottenere migliori proprietà elettriche in questi dispositivi, che saranno utili per potenziali applicazioni", afferma Xu.

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