より薄い反強誘電体は強誘電体になる

反強誘電性物質は、一定の大きさ以上に縮小すると強誘電性になります。 米国とフランスの研究者によるこの新しい結果は、サイズの縮小を使用して、酸化物材料やその他の技術的に重要なシステムの予期しない特性を有効にすることができることを示しています。

反強誘電性材料は規則的に繰り返される単位で構成され、それぞれが電気双極子 (正電荷と負電荷のペア) を持っています。 これらの双極子は、材料の結晶構造を介して交互に配置され、このような規則的な間隔は、反強誘電体がマクロスケールで正味の分極がゼロであることを意味します。

強誘電体も結晶ですが、通常、XNUMX つの等しく反対の電気分極を持つ XNUMX つの安定状態があります。 これは、繰り返し単位の双極子がすべて同じ方向を向いていることを意味します。 強誘電体材料の双極子の分極は、電界を印加することによって反転することもできます。

これらの電気特性のおかげで、反強誘電体は高密度エネルギー貯蔵アプリケーションで使用でき、強誘電体はメモリストレージに適しています。

サイズ駆動の相転移を直接調べる

彼らの仕事では、 先端材料、率いる研究者 徐瑞娟 of ノースカロライナ大学 反強誘電性ニオブ酸ナトリウム (NaNbO₃）。 以前の理論的研究では、この材料が薄くなるにつれて反強誘電性から強誘電性への相転移が起こるはずであると予測されていましたが、そのようなサイズ効果は実験的に検証されていませんでした。 これは、材料膜とそれを成長させた基板との間の格子不整合から生じる歪みなど、他の現象と効果を完全に分離することが困難であったためです。

この問題を克服するために、Xu と同僚は、XNUMX つの材料の間に犠牲層 (その後溶解) を導入することによって、基板からフィルムを持ち上げました。 この方法により、基板効果を最小限に抑え、反強誘電体材料のサイズ駆動型相転移を直接調べることができました。

研究者は、NaNbO₃ 膜は 40 nm よりも薄くなり、完全に強誘電性になり、40 nm から 164 nm の間で、この材料には一部の領域に強誘電相が含まれ、他の領域に反強誘電相が含まれます。

わくわくする発見

「私たちが発見したエキサイティングなことの 164 つは、薄膜が強誘電性領域と反強誘電性領域の両方が存在する範囲にある場合、電界を印加することによって反強誘電性領域を強誘電性にすることができるということでした」と Xu は言います。 「そして、この変化は元に戻せませんでした。 つまり、最大 XNUMX nm の厚さで薄膜を完全に強誘電体にすることができたのです。」

研究者らによると、非常に薄い反強誘電性材料で観察された相変化は、膜の表面が歪むことで発生します。 表面の不安定性は材料全体に波及します。これは、材料が厚い場合にはあり得ないことです。

強誘電体ドメインウォールダイオードが柔軟に

「私たちの研究は、これらのサイズ効果を効果的な調整ノブとして使用して、酸化物材料の予期しない特性を有効にできることを示しています」と Xu 氏は語っています。 物理学の世界. 「これらの効果を利用して、他の酸化膜系でさらに新しい現象が発見されることを期待しています。」

研究者らは、NaNbO の製造に取り組んでいると述べています。₃ マクロスケールで電気特性を調べるための薄膜ベースのデバイス。 「これらのデバイスで位相安定性を操作し、電気特性を強化できることを期待しています。これは潜在的なアプリケーションに役立つでしょう」と Xu 氏は述べています。

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