ทินเนอร์แอนติเฟอร์โรอิเล็กทริกกลายเป็นเฟอร์โรอิเล็กทริก

ทินเนอร์แอนติเฟอร์โรอิเล็กทริกกลายเป็นเฟอร์โรอิเล็กทริก

ประทับเวลา: 6 มีนาคม 2023 3:03 น

ภาพ Antiferroelectric
การเปลี่ยนเฟส: การเปลี่ยนเฟสระหว่างแอนตีเฟอร์โรอิเล็กทริกกับเฟอร์โรอิเล็กทริก (มารยาท: วัสดุขั้นสูง CC BY 4.0)

เมื่อลดขนาดลงจนเกินขนาดที่กำหนด วัสดุต้านแรงเฟอร์โรอิเล็กทริกจะกลายเป็นเฟอร์โรอิเล็กทริก ผลลัพธ์ใหม่นี้จากนักวิจัยในสหรัฐอเมริกาและฝรั่งเศส แสดงให้เห็นว่าการลดขนาดสามารถใช้เพื่อเปิดคุณสมบัติที่คาดไม่ถึงในวัสดุออกไซด์ และระบบที่สำคัญทางเทคโนโลยีอื่นๆ อีกหลายระบบ

วัสดุต้านเฟอร์โรอิเล็กทริกประกอบด้วยหน่วยที่เกิดซ้ำอย่างสม่ำเสมอ ซึ่งแต่ละหน่วยมีไดโพลไฟฟ้า ซึ่งเป็นประจุบวกคู่กับประจุลบ ไดโพลเหล่านี้สลับกันผ่านโครงสร้างผลึกของวัสดุ และระยะห่างปกติดังกล่าวหมายความว่าแอนตีเฟอโรอิเล็กทริกมีโพลาไรเซชันสุทธิเป็นศูนย์ในมาโครสเกล

ในขณะที่เฟอร์โรอิเล็กทริกยังเป็นผลึก แต่พวกมันมักจะมีสองสถานะที่เสถียรซึ่งมีโพลาไรเซชันทางไฟฟ้าที่เท่ากันและตรงข้ามกันสองสถานะ ซึ่งหมายความว่าไดโพลในหน่วยที่เกิดซ้ำทั้งหมดจะชี้ไปในทิศทางเดียวกัน โพลาไรเซชันของไดโพลในวัสดุเฟอร์โรอิเล็กทริกสามารถย้อนกลับได้ด้วยการใช้สนามไฟฟ้า

ด้วยคุณสมบัติทางไฟฟ้าเหล่านี้ แอนตีเฟอโรอิเล็กทริกจึงสามารถนำมาใช้ในการจัดเก็บพลังงานที่มีความหนาแน่นสูงได้ ในขณะที่เฟอโรอิเล็กทริกนั้นดีสำหรับการจัดเก็บหน่วยความจำ

ตรวจสอบการเปลี่ยนเฟสที่ขับเคลื่อนด้วยขนาดโดยตรง

ในการทำงานซึ่งมีรายละเอียดอยู่ใน วัสดุขั้นสูงนักวิจัยนำโดย รุ่ยจวน ซู of มหาวิทยาลัยนอร์ทแคโรไลนา ศึกษาแอนติเฟอโรอิเล็กทริกโซเดียมไนโอไบท์ (NaNbO3). ในขณะที่การศึกษาเชิงทฤษฎีก่อนหน้านี้คาดการณ์ว่าควรมีการเปลี่ยนเฟสจากสารต้านเฟอร์โรอิเล็กทริกเป็นเฟอร์โรอิเล็กทริกเนื่องจากวัสดุนี้ถูกทำให้บางลง ผลกระทบของขนาดดังกล่าวไม่ได้รับการตรวจสอบจากการทดลอง เนื่องจากเป็นการยากที่จะแยกผลกระทบจากปรากฏการณ์อื่นๆ โดยสิ้นเชิง เช่น ความเครียดที่เกิดจากโครงตาข่ายที่ไม่ตรงกันระหว่างฟิล์มวัสดุกับวัสดุพิมพ์ที่ปลูกไว้

เพื่อแก้ปัญหานี้ Xu และเพื่อนร่วมงานยกฟิล์มออกจากวัสดุพิมพ์โดยเพิ่มชั้นเสียสละ (ซึ่งจากนั้นจะละลาย) ระหว่างวัสดุทั้งสอง วิธีนี้ช่วยให้สามารถลดผลกระทบของซับสเตรตและตรวจสอบการเปลี่ยนเฟสตามขนาดในวัสดุต้านเหล็กไฟฟ้าได้โดยตรง

นักวิจัยพบว่าเมื่อ NaNbO3 ฟิล์มบางกว่า 40 นาโนเมตร กลายเป็นเฟอร์โรอิเล็กทริกอย่างสมบูรณ์ และระหว่าง 40 นาโนเมตรถึง 164 นาโนเมตร วัสดุประกอบด้วยเฟสเฟอร์โรอิเล็กทริกในบางภูมิภาคและเฟสแอนติเฟอร์โรอิเล็กทริกในบางพื้นที่

การค้นพบที่น่าตื่นเต้น

“สิ่งที่น่าตื่นเต้นอย่างหนึ่งที่เราพบก็คือ เมื่อฟิล์มบางอยู่ในช่วงที่มีทั้งบริเวณเฟอร์โรอิเล็กทริกและแอนตีเฟอโรอิเล็กทริก เราสามารถสร้างบริเวณแอนตีเฟอโรอิเล็กทริกได้โดยใช้สนามไฟฟ้า” Xu กล่าว “และการเปลี่ยนแปลงนี้ไม่สามารถย้อนกลับได้ กล่าวอีกนัยหนึ่ง เราสามารถสร้างฟิล์มบางของเฟอร์โรอิเล็กทริกอย่างสมบูรณ์ได้ที่ความหนาถึง 164 นาโนเมตร”

จากข้อมูลของนักวิจัย การเปลี่ยนแปลงเฟสที่พวกเขาสังเกตเห็นในวัสดุแอนตีเฟอโรอิเล็กทริกที่บางมากๆ เกิดขึ้นเมื่อพื้นผิวของฟิล์มบิดเบี้ยว ความไม่เสถียรที่พื้นผิวจะกระเพื่อมไปทั่ววัสดุ ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่สามารถทำได้เมื่อวัสดุหนาขึ้น

"งานของเราแสดงให้เห็นว่าเอฟเฟกต์ขนาดเหล่านี้สามารถใช้เป็นปุ่มปรับที่มีประสิทธิภาพเพื่อเปิดใช้คุณสมบัติที่ไม่คาดคิดในวัสดุออกไซด์" Xu กล่าว โลกฟิสิกส์. "เราคาดว่าจะค้นพบปรากฏการณ์ฉุกเฉินในระบบเมมเบรนออกไซด์อื่น ๆ โดยใช้ผลกระทบเหล่านี้"

นักวิจัยกล่าวว่าพวกเขากำลังทำงานเพื่อประดิษฐ์ NaNbO3 อุปกรณ์ที่ใช้ฟิล์มบางเพื่อตรวจสอบคุณสมบัติทางไฟฟ้าในระดับมหภาค “เราหวังว่าจะสามารถจัดการกับความเสถียรของเฟสและได้รับคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นในอุปกรณ์เหล่านี้ ซึ่งจะเป็นประโยชน์สำหรับการใช้งานที่มีศักยภาพ” Xu กล่าว

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์