Более тонкие антисегнетоэлектрики становятся сегнетоэлектриками

Уменьшенные до определенного размера, антисегнетоэлектрические материалы становятся сегнетоэлектрическими. Этот новый результат, полученный исследователями из США и Франции, показывает, что уменьшение размера может быть использовано для включения неожиданных свойств оксидных материалов и ряда других технологически важных систем.

Антисегнетоэлектрики состоят из регулярно повторяющихся звеньев, каждое из которых имеет электрический диполь — положительный заряд в паре с отрицательным. Эти диполи чередуются в кристаллической структуре материала, и такое регулярное расстояние означает, что антисегнетоэлектрики имеют нулевую результирующую поляризацию на макроуровне.

Хотя сегнетоэлектрики также являются кристаллическими, они обычно имеют два стабильных состояния с двумя равными и противоположными электрическими поляризациями. Это означает, что все диполи в повторяющихся элементах указывают в одном направлении. Поляризацию диполей в сегнетоэлектрическом материале также можно изменить на противоположную, приложив электрическое поле.

Благодаря этим электрическим свойствам антисегнетоэлектрики можно использовать в приложениях для хранения энергии с высокой плотностью, а сегнетоэлектрики хороши для хранения памяти.

Непосредственное исследование фазового перехода, обусловленного размером

В своей работе, подробно описанной в Передовые материалы, исследователи под руководством Жуйцзюань Сюй of Университет Северной Каролины изучил антисегнетоэлектрический ниобит натрия (NaNbO₃). Хотя предыдущие теоретические исследования предсказывали, что должен произойти фазовый переход антисегнетоэлектрика в сегнетоэлектрик, поскольку этот материал стал тоньше, такой размерный эффект не был подтвержден экспериментально. Это было связано с тем, что было трудно полностью отделить эффект от других явлений, таких как деформация, возникающая из-за несоответствия решеток между пленкой материала и подложкой, на которой она была выращена.

Чтобы решить эту проблему, Сюй и его коллеги сняли пленку с подложки, поместив жертвенный слой (который они затем растворили) между двумя материалами. Этот метод позволил им свести к минимуму эффект подложки и напрямую исследовать размерный фазовый переход в антисегнетоэлектрическом материале.

Исследователи обнаружили, что когда NaNbO₃ пленки были тоньше 40 нм, они становились полностью сегнетоэлектрическими, а между 40 нм и 164 нм материал содержал сегнетоэлектрические фазы в одних областях и антисегнетоэлектрические фазы в других.

Захватывающее открытие

«Одна из захватывающих вещей, которые мы обнаружили, заключалась в том, что, когда тонкие пленки находились в диапазоне, где были как сегнетоэлектрические, так и антисегнетоэлектрические области, мы могли сделать антисегнетоэлектрические области сегнетоэлектрическими, приложив электрическое поле», — говорит Сюй. «И это изменение было необратимым. Другими словами, мы могли бы сделать тонкую пленку полностью сегнетоэлектрической при толщине до 164 нм».

По словам исследователей, фазовые переходы, которые они наблюдали в очень тонких антисегнетоэлектрических материалах, происходят при искажении поверхности пленок. Нестабильность поверхности распространяется по всему материалу, что невозможно, если материал толще.

Сегнетоэлектрические диоды с доменными стенками становятся гибкими

«Наша работа показывает, что эти эффекты размера можно использовать в качестве эффективной ручки настройки для включения неожиданных свойств оксидных материалов», — говорит Сюй. Мир физики. «Мы рассчитываем обнаружить новые явления в других системах оксидных мембран, используя эти эффекты».

Исследователи говорят, что работают над созданием NaNbO.₃ тонкопленочные устройства для исследования электрических свойств на макроуровне. «Мы надеемся, что сможем управлять фазовой стабильностью и получить улучшенные электрические свойства в этих устройствах, что будет полезно для потенциальных приложений», — говорит Сюй.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/thinner-antiferroelectrics-become-ferroelectric/