Antiferroelétricos mais finos tornam-se ferroelétricos

Reduzidos além de um certo tamanho, os materiais antiferroelétricos tornam-se ferroelétricos. Este novo resultado, de pesquisadores nos EUA e na França, mostra que a redução de tamanho pode ser usada para ativar propriedades inesperadas em materiais óxidos e, de fato, em uma série de outros sistemas tecnologicamente importantes.

Os materiais antiferroelétricos consistem em unidades que se repetem regularmente, cada uma com um dipolo elétrico – uma carga positiva emparelhada com uma negativa. Esses dipolos se alternam através da estrutura cristalina do material e esse espaçamento regular significa que os antiferroelétricos têm polarização líquida zero na macroescala.

Embora os ferroelétricos também sejam cristalinos, eles geralmente têm dois estados estáveis ​​com duas polarizações elétricas iguais e opostas. Isso significa que os dipolos nas unidades repetidas apontam todos na mesma direção. A polarização dos dipolos em um material ferroelétrico também pode ser revertida pela aplicação de um campo elétrico.

Graças a essas propriedades elétricas, os antiferroelétricos podem ser usados ​​em aplicações de armazenamento de energia de alta densidade, enquanto os ferroelétricos são bons para armazenamento de memória.

Sondando diretamente a transição de fase orientada por tamanho

Em seu trabalho, detalhado em Materiais avançados, os pesquisadores liderados por Ruijuan Xu of Universidade da Carolina do Norte estudaram o antiferroelétrico niobito de sódio (NaNbO₃). Embora estudos teóricos anteriores previssem que deveria haver uma transição de fase antiferroelétrica para ferroelétrica à medida que esse material fosse mais fino, esse efeito de tamanho não havia sido verificado experimentalmente. Isso porque era difícil separar completamente o efeito de outros fenômenos, como a tensão decorrente da incompatibilidade da rede entre o filme do material e o substrato no qual ele havia crescido.

Para superar esse problema, Xu e seus colegas retiraram o filme do substrato introduzindo uma camada de sacrifício (que eles então dissolveram) entre os dois materiais. Este método permitiu minimizar o efeito do substrato e sondar diretamente a transição de fase orientada por tamanho no material antiferroelétrico.

Os pesquisadores descobriram que quando o NaNbO₃ filmes eram mais finos que 40 nm, tornaram-se completamente ferroelétricos, e que entre 40 nm a 164 nm, o material contém fases ferroelétricas em algumas regiões e fases antiferroelétricas em outras.

Descoberta emocionante

“Uma das coisas interessantes que descobrimos foi que, quando os filmes finos estavam na faixa em que havia regiões ferroelétricas e antiferroelétricas, poderíamos tornar as regiões antiferroelétricas ferroelétricas aplicando um campo elétrico”, diz Xu. “E essa mudança não era reversível. Em outras palavras, poderíamos tornar o filme fino completamente ferroelétrico em espessuras de até 164 nm”.

Segundo os pesquisadores, as mudanças de fase observadas em materiais antiferroelétricos muito finos ocorrem quando a superfície dos filmes se distorce. Instabilidades na superfície ondulam por todo o material – algo que não é possível quando o material é mais espesso.

Os diodos de parede de domínio ferroelétrico ficam flexíveis

“Nosso trabalho mostra que esses efeitos de tamanho podem ser usados ​​como um botão de ajuste eficaz para ativar propriedades inesperadas em materiais de óxido”, diz Xu Mundo da física. “Esperamos descobrir fenômenos mais emergentes em outros sistemas de membrana de óxido usando esses efeitos”.

Os pesquisadores dizem que estão trabalhando na fabricação de NaNbO₃ dispositivos baseados em filme fino para sondar as propriedades elétricas em macroescala. “Esperamos poder manipular a estabilidade de fase e obter propriedades elétricas aprimoradas nesses dispositivos, o que será útil para possíveis aplicações”, diz Xu.

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