Dunnere antiferro-elektrische stoffen worden ferro-elektrische

Verkleind tot voorbij een bepaalde grootte, worden antiferro-elektrische materialen ferro-elektrisch. Dit nieuwe resultaat, van onderzoekers in de VS en Frankrijk, laat zien dat verkleining kan worden gebruikt om onverwachte eigenschappen in oxidematerialen en zelfs een reeks andere technologisch belangrijke systemen aan te zetten.

Antiferro-elektrische materialen bestaan ​​uit zich regelmatig herhalende eenheden, die elk een elektrische dipool hebben - een positieve lading gepaard met een negatieve. Deze dipolen wisselen elkaar af door de kristallijne structuur van het materiaal en een dergelijke regelmatige afstand betekent dat antiferro-elektrische materialen nul netto polarisatie hebben op macroschaal.

Hoewel ferro-elektrische materialen ook kristallijn zijn, hebben ze meestal twee stabiele toestanden met twee gelijke en tegengestelde elektrische polarisaties. Dit betekent dat de dipolen in de zich herhalende eenheden allemaal in dezelfde richting wijzen. De polarisatie van de dipolen in een ferro-elektrisch materiaal kan ook worden omgekeerd door een elektrisch veld aan te leggen.

Dankzij deze elektrische eigenschappen kunnen antiferro-elektrische apparaten worden gebruikt in energieopslagtoepassingen met hoge dichtheid, terwijl ferro-elektrische apparaten goed zijn voor geheugenopslag.

Direct de groottegestuurde faseovergang onderzoeken

In hun werk, dat wordt beschreven in Geavanceerde materialen, de onderzoekers onder leiding van Ruijuan Xu of Universiteit van Noord-Carolina bestudeerde het antiferro-elektrische natriumniobiet (NaNbO₃). Hoewel eerdere theoretische studies voorspelden dat er een antiferro-elektrische-naar-ferro-elektrische faseovergang zou moeten zijn naarmate dit materiaal dunner werd gemaakt, was een dergelijk grootte-effect niet experimenteel geverifieerd. Dit was omdat het moeilijk was om het effect volledig te scheiden van andere fenomenen, zoals de spanning die voortvloeit uit de mismatch van het rooster tussen de materiaalfilm en het substraat waarop het was gegroeid.

Om dit probleem op te lossen, tilden Xu en collega's de film van het substraat door een opofferingslaag (die ze vervolgens oplosten) tussen de twee materialen aan te brengen. Met deze methode konden ze het substraateffect minimaliseren en direct de groottegestuurde faseovergang in het antiferro-elektrische materiaal onderzoeken.

De onderzoekers ontdekten dat wanneer de NaNbO₃ films dunner waren dan 40 nm, ze werden volledig ferro-elektrisch, en tussen 40 nm en 164 nm bevat het materiaal ferro-elektrische fasen in sommige regio's en antiferro-elektrische fasen in andere.

Spannende ontdekking

"Een van de opwindende dingen die we ontdekten, was dat wanneer de dunne films zich in het bereik bevonden waar er zowel ferro-elektrische als antiferro-elektrische gebieden waren, we de antiferro-elektrische gebieden ferro-elektrisch konden maken door een elektrisch veld aan te leggen", zegt Xu. “En deze verandering was niet omkeerbaar. Met andere woorden, we zouden de dunne film volledig ferro-elektrisch kunnen maken met een dikte tot 164 nm.”

Volgens de onderzoekers komen de faseveranderingen die ze waarnamen in zeer dunne antiferro-elektrische materialen tot stand wanneer het oppervlak van de films vervormt. Instabiliteiten aan het oppervlak rimpelen door het materiaal – iets dat niet mogelijk is als het materiaal dikker is.

Ferro-elektrische domeinwanddiodes worden flexibel

"Ons werk laat zien dat deze grootte-effecten kunnen worden gebruikt als een effectieve afstemknop om onverwachte eigenschappen in oxidematerialen aan te zetten", vertelt Xu. Natuurkunde wereld. "We verwachten met behulp van deze effecten meer opkomende verschijnselen te ontdekken in andere oxidemembraansystemen."

De onderzoekers zeggen dat ze werken aan het fabriceren van NaNbO₃ op dunne film gebaseerde apparaten om de elektrische eigenschappen op macroschaal te onderzoeken. "We hopen de fasestabiliteit te kunnen manipuleren en verbeterde elektrische eigenschappen in deze apparaten te verkrijgen, wat nuttig zal zijn voor mogelijke toepassingen", zegt Xu.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/thinner-antiferroelectrics-become-ferroelectric/