Nyopdagede egenskaber ved ferroelektriske krystaller kaster lys over gren af ​​materialer

I ferroelektriske materialer forvrænges krystalstrukturen, giver anledning til en spontant dannet polarisering og elektrisk felt. På grund af denne unikke ejendom, ferroelektrik kan findes i alt fra ultralydsmaskiner og dieselinjektorer til computerhukommelse. Ferroelektriske materialer står bag noget af den mest avancerede teknologi, der findes i dag. Fund af, at ferroelektricitet kan observeres i materialer, der udviser andre spontane overgange, ligesom ferromagnetisme, har givet anledning til en ny klasse af disse materialer, kendt som hybrid ukorrekt ferroelektrik. Egenskaberne af denne type materiale, imidlertid, er stadig langt fra fuldt ud forstået. Nye resultater offentliggjort i Anvendt fysik bogstaver , hjælpe med at belyse disse materialer og indikere potentiale for nye optoelektroniske og opbevaringsapplikationer.

Et hold af forskere fra Kina har karakteriseret én type hybrid ukorrekt ferroelektrisk, Ca3Mn2O7. Gruppen undersøgte materialets ferroelektriske, magnetoelektriske og optiske egenskaber. De var i stand til at demonstrere ferroelektricitet i Ca3Mn2O7 samt kobling mellem dets magnetisme og ferroelektricitet, en nøgleegenskab, der har potentiale til at muliggøre hurtigere og mere effektive bitoperationer i computere.

"Vores arbejde løser et langsigtet puslespil på dette felt, som kunne skubbe grænserne frem og øge tilliden til at fortsætte forskningen på dette område, " sagde Shuai Dong, en forfatter på papiret.

Ligesom batterier, for eksempel, ferroelektrik har positivt og negativt ladede poler. Et vigtigt kendetegn ved disse materialer, imidlertid, er, at denne polarisering kan vendes ved at bruge et eksternt elektrisk felt.

"Dette kan være nyttigt, fordi det kan bruges i enheder til at gemme information som etaller og nuller, " sagde Dong. "Også, skift af polarisering kan generere strøm, som kan bruges i sensorer."

I modsætning til traditionel ferroelektrik, som direkte henter deres egenskaber fra polære forvrængninger i gitteret af materialets krystal, hybrid ukorrekt ferroelektrik genererer polarisering fra en kombination af ikke-polære forvrængninger.

Da hybrid ukorrekt ferroelektrik først blev teoretiseret i 2011, to materialer blev foreslået. I årene siden, ikke-magnetiske Ca3Ti2O7¬ krystaller blev demonstreret eksperimentelt, men en fuldstændig karakterisering af dens magnetiske modstykke, Ca3Mn2O7, forblev undvigende.

"Flere overgange såvel som faseadskillelser blev påvist i Ca3Mn2O7, gør det mere komplekst end de tidlige teoretiske forventninger, "Dong sagde. "Dette materiale er komplekst, og lækagen er alvorlig, som forhindrer direkte måling af dens ferroelektricitet ved høj temperatur."

For yderligere at forstå Ca3Mn2O7, Dong og hans samarbejdspartnere bekræftede materialets ferroelektricitet ved hjælp af pyroelektriske målinger, der undersøger dets elektriske egenskaber på tværs af en række temperaturer samt målte Ca3Mn2O7's ferroelektriske hysteresesløjfer, en metode, der afbøder en vis ydre lækage. Yderligere undersøgelser viste, at Ca3Mn2O7 udviser en svag ferromagnetisme, der kan moduleres af et elektrisk felt.

Det blev fundet, at Ca3Mn2O7, et materiale, der længe rygtes at have ferroelektriske og magnetoelektriske egenskaber, udviste også stærk absorption af synligt lys i et båndgab, der er velegnet til fotoelektriske enheder. Denne egenskab ved Ca3Mn2O7 kan bane vejen for, at materialet kan bruges i alt fra fotovoltaiske celler til lyssensorer med det indbyggede elektriske felt, der fører til større fotogenereret spænding end nutidens enheder.

"Det mest overraskende for os var, at ingen bemærkede dens fremtrædende lysabsorption før, " sagde Dong.

I fremtiden, Dong sagde, at han håber på at udforske Ca3Mn2O7's fotoelektriske egenskaber samt undersøge, om introduktion af jern til krystallen ville forbedre dens magnetisme.