Cieńsze antyferroelektryki stają się ferroelektrykami

Zredukowane powyżej pewnego rozmiaru materiały antyferroelektryczne stają się ferroelektrykami. Ten nowy wynik naukowców z USA i Francji pokazuje, że zmniejszenie rozmiaru można wykorzystać do uzyskania nieoczekiwanych właściwości materiałów tlenkowych, a nawet szeregu innych ważnych technologicznie układów.

Materiały antyferroelektryczne składają się z regularnie powtarzających się jednostek, z których każda ma dipol elektryczny – ładunek dodatni połączony z ładunkiem ujemnym. Te dipole występują naprzemiennie w krystalicznej strukturze materiału, a takie regularne odstępy oznaczają, że antyferroelektryki mają zerową polaryzację netto w makroskali.

Chociaż ferroelektryki są również krystaliczne, zwykle mają dwa stabilne stany z dwiema równymi i przeciwnymi polaryzacjami elektrycznymi. Oznacza to, że wszystkie dipole w powtarzających się jednostkach są skierowane w tym samym kierunku. Polaryzację dipoli w materiale ferroelektrycznym można również odwrócić przez przyłożenie pola elektrycznego.

Dzięki tym właściwościom elektrycznym antyferroelektryki mogą być wykorzystywane w zastosowaniach związanych z magazynowaniem energii o dużej gęstości, podczas gdy ferroelektryki są dobre do przechowywania pamięci.

Bezpośrednie badanie przejścia fazowego zależnego od rozmiaru

W swojej pracy, która jest szczegółowo opisana w Zaawansowane materiały, naukowcy pod kierunkiem Ruijuan Xu of Uniwersytet Północnej Karoliny badali antyferroelektryczny niobit sodu (NaNbO₃). Podczas gdy poprzednie badania teoretyczne przewidywały, że powinno nastąpić przejście fazowe z antyferroelektryka na ferroelektryk, ponieważ materiał ten stał się cieńszy, taki efekt wielkości nie został zweryfikowany eksperymentalnie. Stało się tak, ponieważ trudno było całkowicie oddzielić efekt od innych zjawisk, takich jak naprężenie wynikające z niedopasowania sieci między filmem materiału a podłożem, na którym był wyhodowany.

Aby przezwyciężyć ten problem, Xu i współpracownicy podnieśli folię z podłoża, wprowadzając warstwę protektorową (którą następnie rozpuścili) między dwoma materiałami. Ta metoda pozwoliła im zminimalizować efekt substratu i bezpośrednio zbadać zależne od wielkości przejście fazowe w materiale antyferroelektrycznym.

Naukowcy odkryli, że kiedy NaNbO₃ warstwy były cieńsze niż 40 nm, stały się całkowicie ferroelektryczne, a między 40 nm a 164 nm materiał zawiera fazy ferroelektryczne w niektórych regionach i fazy antyferroelektryczne w innych.

Ekscytujące odkrycie

„Jedną z ekscytujących rzeczy, które odkryliśmy, było to, że kiedy cienkie warstwy znajdowały się w zakresie, w którym występowały zarówno regiony ferroelektryczne, jak i antyferroelektryczne, mogliśmy uczynić regiony antyferroelektryczne ferroelektrycznymi, stosując pole elektryczne” – mówi Xu. „I ta zmiana nie była odwracalna. Innymi słowy, moglibyśmy stworzyć cienką warstwę całkowicie ferroelektryczną przy grubości do 164 nm”.

Zdaniem naukowców zmiany faz, które zaobserwowali w bardzo cienkich materiałach antyferroelektrycznych, zachodzą w wyniku zniekształcenia powierzchni warstw. Niestabilności na powierzchni marszczą się w całym materiale – coś, co nie jest możliwe, gdy materiał jest grubszy.

Diody ścienne z domenami ferroelektrycznymi stają się elastyczne

„Nasza praca pokazuje, że te efekty wielkości można wykorzystać jako skuteczne pokrętło strojenia, aby włączyć nieoczekiwane właściwości materiałów tlenkowych” – mówi Xu. Świat Fizyki. „Spodziewamy się odkryć więcej pojawiających się zjawisk w innych systemach membran tlenkowych, wykorzystując te efekty”.

Naukowcy twierdzą, że pracują nad wytwarzaniem NaNbO₃ urządzenia cienkowarstwowe do badania właściwości elektrycznych w makroskali. „Mamy nadzieję, że uda nam się manipulować stabilnością fazową i uzyskać ulepszone właściwości elektryczne w tych urządzeniach, które będą przydatne w potencjalnych zastosowaniach”, mówi Xu.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/thinner-antiferroelectrics-become-ferroelectric/