让他们足够薄,antiferroelectric成为铁电材料

Antiferroelectric材料电气性能,使其便于使用高密度储能应用程序。研究人员已经发现了一种阈值大小超过这个antiferroelectrics失去这些属性,成为铁电。

“电子设备变得越来越小,这使得它越来越重要对我们了解材料的属性可能会改变在小尺度上,“徐Ruijuan说,一篇论文的通讯作者工作,助理教授在北卡州立大学材料科学与工程。”在这种情况下,我们知道当antiferroelectric薄膜太薄,这些材料经过相变,成为铁电。让他们那么有用能量储存,但创建一些新的应用程序存储器的可能性。”

本研究关注antiferroelectric材料。这些材料晶体结构,这意味着它们有定期重复单位组成。晶体结构中的每个重复单元有一个偶极子,正电荷与负电荷。什么使antiferroelectric材料特殊的是那些偶极子替代从单位到单位在整个结构。换句话说,如果一个单位正电荷,负电荷在底部,然后下一个单位将底部的正电荷和负电荷。这个正则偶极天线的间距也意味着,在宏观尺度上,antiferroelectric材料没有积极或消极的极化。

铁电材料也有晶体结构。但在铁电体,偶极子的重复单位都指向同一个方向。更重要的是,你可以扭转极化铁电材料的偶极子通过应用电场。

探讨一种antiferroelectric材料的属性可能会改变在小尺度上,研究人员关注无铅铌酸钠(NaNbO3)膜。

Antiferroelectric薄膜衬底上生长。以前曾试图评估潜在大小相关的影响antiferroelectric薄膜考察了薄膜,而电影仍然附着在基质层。这构成了重大挑战,因为有些紧张,衬底的薄膜是强连通,很难评估相关影响薄膜的规模和影响所造成的压力与底物有关。

“为了应对这一挑战,我们引入了一个祭祀antiferroelectric之间的缓冲层薄膜和衬底,”徐说。“一旦我们已经薄膜所需的厚度,我们有选择性地蚀刻牺牲层。这允许我们分离薄膜衬底。最终,这允许我们确定薄膜中的任何变化影响的大小,因为我们知道底物不造成任何改变。”

研究人员使用各种实验和理论方法来评估这些无应变样品厚度从9纳米(纳米)164海里。

“结果很出乎意料,”徐说。

“我们知道,在原子尺度,antiferroelectric材料——比如无铅NaNbO3膜——交替整个材料的偶极子。我们发现当NaNbO3膜薄比40 nm,他们成为完全铁电。从40 nm 164海里,我们发现铁电材料有一些地区,而其他地区antiferroelectric。”

使用他们的实验数据,研究人员推断至少会有一些铁电地区NaNbO3任意厚度低于270海里。

“令人激动的事情之一,我们发现,当薄膜在那里都是铁电和antiferroelectric地区,我们可以让antiferroelectric地区铁电通过应用电场,”徐说。”,这种变化是不可逆的。换句话说,我们完全可以使薄膜铁电厚度高达164海里。”

研究人员也能够得出一些结论是什么推动这些变化的antiferroelectric材料。

“利用第一原理,我们可以得出结论,我们看到的相变极薄antiferroelectric材料是由结构性扭曲,膜表面的开始,”徐说。

换句话说,不稳定的表面有一个连锁反应,始终贯穿于材料——这是不可能的,当材料的体积较高。这就是阻止antiferroelectric材料成为铁电在更大的尺度上。

“我不想猜测太多潜在的应用,但是我们的工作提供了重要的见解如何控制材料的属性利用规模效应,”徐说。“我们在NaNbO3证明显著的尺寸效应,我们发现这些影响的技术可以用于探索一系列其他材料类似的问题。”

更多信息:先进材料