Tunnare antiferroelektriska ämnen blir ferroelektriska

Reducerade utöver en viss storlek blir antiferroelektriska material ferroelektriska. Detta nya resultat, från forskare i USA och Frankrike, visar att storleksminskning kan användas för att aktivera oväntade egenskaper i oxidmaterial och faktiskt en rad andra tekniskt viktiga system.

Antiferroelektriska material består av regelbundet återkommande enheter, som var och en har en elektrisk dipol – en positiv laddning parad med en negativ. Dessa dipoler alternerar genom materialets kristallina struktur och ett sådant regelbundet avstånd innebär att antiferroelektriska ämnen har noll nettopolarisation på makroskalan.

Även om ferroelektriker också är kristallina, har de vanligtvis två stabila tillstånd med två lika och motsatta elektriska polarisationer. Detta innebär att dipolerna i de repeterande enheterna alla pekar i samma riktning. Polariseringen av dipolerna i ett ferroelektriskt material kan också vändas genom att ett elektriskt fält appliceras.

Tack vare dessa elektriska egenskaper kan antiferroelektrik användas i högdensitetsenergilagringsapplikationer medan ferroelektrik är bra för minneslagring.

Direkt sondering av den storleksdrivna fasövergången

I deras arbete, som beskrivs i detalj i Advanced Materials, forskarna ledda av Ruijuan Xu of North Carolina University studerade den antiferroelektriska natriumniobiten (NaNbO₃). Medan tidigare teoretiska studier förutspådde att det borde finnas en antiferroelektrisk-till-ferroelektrisk fasövergång eftersom detta material gjordes tunnare, hade en sådan storlekseffekt inte verifierats experimentellt. Detta berodde på att det var svårt att helt separera effekten från andra fenomen, såsom töjningen som härrörde från gallrets mismatch mellan materialfilmen och substratet den hade odlats på.

För att övervinna detta problem lyfte Xu och kollegor filmen från substratet genom att införa ett offerlager (som de sedan löstes upp) mellan de två materialen. Denna metod gjorde det möjligt för dem att minimera substrateffekten och direkt undersöka den storleksdrivna fasövergången i det antiferroelektriska materialet.

Forskarna fann att när NaNbO₃ filmer var tunnare än 40 nm, de blev helt ferroelektriska och att mellan 40 nm till 164 nm innehåller materialet ferroelektriska faser i vissa regioner och antiferroelektriska faser i andra.

Spännande upptäckt

"En av de spännande sakerna vi hittade var att när de tunna filmerna var inom området där det fanns både ferroelektriska och antiferroelektriska regioner, kunde vi göra de antiferroelektriska regionerna ferroelektriska genom att applicera ett elektriskt fält", säger Xu. "Och denna förändring var inte reversibel. Med andra ord skulle vi kunna göra den tunna filmen helt ferroelektrisk vid tjocklekar på upp till 164 nm.”

Enligt forskarna uppstår de fasförändringar som de observerade i mycket tunna antiferroelektriska material när ytan på filmerna förvrängs. Instabiliteter vid ytan krusar genom hela materialet – något som inte är möjligt när materialet är tjockare.

Ferroelektriska domänväggsdioder blir flexibla

"Vårt arbete visar att dessa storlekseffekter kan användas som en effektiv inställningsratt för att aktivera oväntade egenskaper i oxidmaterial," säger Xu Fysikvärlden. "Vi förväntar oss att upptäcka fler framväxande fenomen i andra oxidmembransystem med hjälp av dessa effekter."

Forskarna säger att de arbetar med att tillverka NaNbO₃ tunnfilmsbaserade enheter för att undersöka de elektriska egenskaperna på makroskalan. "Vi hoppas kunna manipulera fasstabiliteten och få förbättrade elektriska egenskaper i dessa enheter, vilket kommer att vara användbart för potentiella tillämpningar", säger Xu.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/thinner-antiferroelectrics-become-ferroelectric/