Tynnere antiferroelektriske stoffer blir ferroelektriske

Redusert utover en viss størrelse, blir antiferroelektriske materialer ferroelektriske. Dette nye resultatet, fra forskere i USA og Frankrike, viser at størrelsesreduksjon kan brukes til å slå på uventede egenskaper i oksidmaterialer og faktisk en rekke andre teknologisk viktige systemer.

Antiferroelektriske materialer består av regelmessig repeterende enheter, som hver har en elektrisk dipol - en positiv ladning sammen med en negativ. Disse dipolene veksler gjennom den krystallinske strukturen til materialet og slik regelmessig avstand betyr at antiferroelektriske stoffer har null nettopolarisering på makroskalaen.

Mens ferroelektrikk også er krystallinsk, har de vanligvis to stabile tilstander med to like og motsatte elektriske polarisasjoner. Dette betyr at dipolene i de repeterende enhetene alle peker i samme retning. Polarisasjonen av dipolene i et ferroelektrisk materiale kan også reverseres ved å påføre et elektrisk felt.

Takket være disse elektriske egenskapene kan antiferroelektriske stoffer brukes i energilagringsapplikasjoner med høy tetthet, mens ferroelektrikk er bra for minnelagring.

Direkte sondering av den størrelsesdrevne faseovergangen

I deres arbeid, som er detaljert i Advanced Materials, ledet forskerne av Ruijuan Xu of North Carolina University studerte den antiferroelektriske natriumniobitten (NaNbO₃). Mens tidligere teoretiske studier spådde at det skulle være en antiferroelektrisk-til-ferroelektrisk faseovergang ettersom dette materialet ble gjort tynnere, hadde en slik størrelseseffekt ikke blitt verifisert eksperimentelt. Dette var fordi det var vanskelig å fullstendig skille effekten fra andre fenomener, slik som belastningen som oppsto fra gittermisforholdet mellom materialfilmen og underlaget den hadde blitt dyrket på.

For å overvinne dette problemet, løftet Xu og kolleger filmen av underlaget ved å introdusere et offerlag (som de deretter løste seg opp) mellom de to materialene. Denne metoden tillot dem å minimere substrateffekten og direkte sondere den størrelsesdrevne faseovergangen i det antiferroelektriske materialet.

Forskerne fant at når NaNbO₃ filmene var tynnere enn 40 nm, de ble fullstendig ferroelektriske, og at mellom 40 nm til 164 nm inneholder materialet ferroelektriske faser i noen regioner og antiferroelektriske faser i andre.

Spennende oppdagelse

"En av de spennende tingene vi fant var at når de tynne filmene var i området der det var både ferroelektriske og antiferroelektriske områder, kunne vi gjøre de antiferroelektriske områdene ferroelektriske ved å bruke et elektrisk felt," sier Xu. "Og denne endringen var ikke reversibel. Med andre ord, vi kunne gjøre den tynne filmen fullstendig ferroelektrisk ved tykkelser på opptil 164 nm."

Ifølge forskerne kommer faseendringene de observerte i svært tynne antiferroelektriske materialer når overflaten på filmene forvrenges. Ustabiliteter på overflaten bølger gjennom hele materialet – noe som ikke er mulig når materialet er tykkere.

Ferroelektriske domeneveggdioder blir fleksible

"Vårt arbeid viser at disse størrelseseffektene kan brukes som en effektiv innstillingsknapp for å slå på uventede egenskaper i oksidmaterialer," forteller Xu Fysikkens verden. "Vi forventer å oppdage flere nye fenomener i andre oksidmembransystemer ved å bruke disse effektene."

Forskerne sier de jobber med å fremstille NaNbO₃ tynnfilmbaserte enheter for å undersøke de elektriske egenskapene på makroskalaen. "Vi håper å kunne manipulere fasestabiliteten og oppnå forbedrede elektriske egenskaper i disse enhetene, noe som vil være nyttig for potensielle bruksområder," sier Xu.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/thinner-antiferroelectrics-become-ferroelectric/