En fire-vejs switch lover større afstemning af lagdelte materialer

Et videnskabeligt team fra Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory og Vanderbilt University har foretaget den første eksperimentelle observation af en materiel fase, der var blevet forudsagt, men aldrig set. Den nyopdagede fase kobler sammen med en kendt fase for at muliggøre unik kontrol over materialegenskaber-et fremskridt, der baner vejen for en eventuel manipulation af elektrisk ledning i todimensionale (2-D) materialer, såsom grafen.

Teamet gjorde opdagelsen ved hjælp af et lagdelt, kobberholdig krystal, der er ferroelektrisk, eller har en konstant elektrisk dipol, der kan vendes, når et elektrisk felt påføres.

"Disse materialer kan blive byggesten til ultratynde energi- og elektronik -teknologier, sagde ORNLs Nina Balke, en tilsvarende forfatter til et papir, der rapporterer fundet i Naturmaterialer .

Observationen viser egenskaber, der kan udnyttes til at give materialer nye funktioner. Disse egenskaber afhænger af placeringen af ​​kobberatomer i krystallen. Kobberatomerne kan enten sidde inden i lagene i krystallen eller blive forskudt ind i hullerne mellem lagene - kaldet "van der Waals -huller" - hvor de danner svage ioniske bindinger med tilstødende lag og danner den nye fase.

Forskerne målte elektromekaniske reaktioner gennem lagdelte ferroelektriske krystaller af kobberindiumthiophosphat, eller CIPS. Dette materiale er piezoelektrisk, hvilket betyder, at dens overflader bliver ladet, når den strækkes eller klemmes. Omvendt anvendelse af et elektrisk felt får et piezoelektrisk materiale til at ekspandere eller trække sig sammen. De piezoelektriske egenskaber ved CIPS (CuInP ₂ S ₆ ) var nøglen til at studere det eksperimentelt såvel som teoretisk for at afsløre de nye fænomener.

Den teoretiske forskning blev udført af gruppen af ​​Sokrates Pantelides, professor ved Vanderbilt University og fremtrædende gæsteforsker ved ORNL. Ved hjælp af kvanteberegninger, gruppemedlemmer flyttede atomet, der var ansvarlig for polær forskydning - kobber - gennem krystalstrukturen og beregnede den potentielle energi. "Et typisk resultat for et ferroelektrisk materiale er, at du har to energiminimaer, eller 'brønde, 'for dette atom; hver repræsenterer en polarisationsvektor, en peger opad, den anden ned, "sagde Pantelides." For dette materiale, teori forudsagde fire energiminima, hvilket er yderst usædvanligt. "

Forskergruppen fandt ud af, at de to ekstra energiminima stammer fra en anden strukturel fase med dobbelt polarisationsamplitude og med en stabil position for kobberatomet i van der Waals -hullet. I øvrigt, de teoretisk forudsagte piezoelektriske konstanter for de to polære faser i CIPS matchede de eksperimentelt målte.

"Dette er den første rapporterede observation af de piezoelektriske og ferroelektriske egenskaber ved højpolarisationsfasen, sagde Balke, den førende eksperimentelist på holdet. "Det var kendt, at kobber kan gå i hullet, men konsekvenserne for piezoelektriske og ferroelektriske egenskaber kendte man ikke. Men i sidste ende, det er det, der danner firdobbelt godt. "

Sabine Neumayer, medlem af ORNL -teamet, tilføjet, "Firdobbeltbrønden åbner for mange spændende muligheder, især fordi vi kan styre overgange mellem disse fire forskellige polarisationstilstande ved hjælp af temperatur, tryk og elektriske felter. "Normalt, ferroelektrik betragtes som skifte mellem to tilstande. I CIPS, fire stater er tilgængelige.

"CIPS er et af de første ferroelektriske materialer, der er indbygget kompatibelt med næsten alle 2-D materialer på grund af dets van der Waals struktur. Når som helst du har van der Waals kræfter, det betyder, at du kan sætte 2-D materialer sammen og adskille dem uden at forårsage større strukturelle skader, "Peter Maksymovytj, en anden tilsvarende forfatter, sagde. "Van der Waals-strukturen er det, der gør det muligt for spaltning af massekrystaller at skabe 2-D-nanostrukturer med rene overflader."

Forskere verden over har kapperet om at skabe en aktiv grænseflade til 2-D materialer som grafen, et enkelt atom-tykt materiale med meget høj elektronmobilitet. "Vi forestiller os, at i fremtiden en aktiv grænseflade til CIPS kan styre grafen via piezoelektrisk, ferroelektriske og andre responsive egenskaber, "Sagde Maksymovych." Det vil sætte smarts i grafen. "

Michael McGuire i ORNLs afdeling for materialevidenskab og teknologi voksede og karakteriserede undersøgelsens krystaller med Michael Susner, nu på Air Force Research Laboratory. "Konkurrencen og sameksistensen af ​​flere faser i krystallerne gør disse materialer særligt spændende og interessante, "sagde han." Evnen til at studere komplekse materialer som disse både teoretisk og eksperimentelt over en lang række længdeskalaer med komplementære teknikker gør denne type arbejde mulig på ORNL. "

Forskerne kørte eksperimenter på ORNL's Center for Nanophase Materials Sciences, hvor uovertruffen instrumentering og ekspertise muliggjorde præcise målinger og klar analyse og fortolkning af komplekse data. Eksperimenterne var afhængige af piezoresponsekraftmikroskopi (PFM) til billede og kontrol af ferroelektriske domæner på skalaer fra milliontedele til milliarder af meter. En skarp ledende sonde anvender et elektrisk felt på en prøves overflade, og materialets elektromekanisk inducerede deformation udledes af sondens forskydning.

"CNMS er den verdensførende institution inden for piezoresponse kraftmikroskopi, "sagde Maksymovytj." Folk kommer her fra hele verden for at måle egenskaberne af deres prøver. "En stor trækning er tæt samråd med PFM -gruppemedlemmer, der giver næsten et halvt århundrede kumulativ ekspertise fra innovatører i PFM som Sergei Kalinin og Stephen Jesse, og topnavne i teorien, såsom Panchapakesan Ganesh og Sokrates Pantelides - alle forfattere til dette papir. "Uden den mangeårige ekspertise, selve målingen alene havde måske ikke resulteret i det sammenhængende billede, vi fik, Sagde Balke.

Maksymovych tilføjede, "Fortolkning af data for dobbelte brønde er udfordrende. Firemandsbrønde er endnu mere komplekse, fordi nu har du flere skifteegenskaber. Udvidelses- og sammentrækningssekvensen kan se bizar og uklar ud. Kun på grund af Ninas og Sabines indsats blev bizarren normaliseret, så vi kunne forstå præcis hvad der foregår. "

I fremtidige undersøgelser, forskerne vil undersøge dynamiske egenskaber - observere forhold mellem høj og lav polarisering i belastede materialer; bevæger sig, stabilisering og indlejring af atomer i den nye fase for at foretage et skift; eksperimentelt undersøge forudsagt adfærd af materialer under tryk; og studere, hvordan ferroelektriske domæner reorienterer, efter at et elektrisk felt er påført.

Papirets titel er "Tunable quadruple-well ferroelectric van-der-Waals crystals."