Mekanisk styrbar ikke -lineær dielektri

Stamfølsom barium strontium titanat (Ba _x -Sr _1-x -TiO ₃ ) perovskitsystemer bruges i vid udstrækning til deres overlegne ikke -lineære dielektriske adfærd. I en ny rapport om Videnskabelige fremskridt, D.L. Ko og et forskerhold i materialevidenskab og teknik, fysik, elektronik og informationsteknik i Taiwan, Hongkong og USA har udviklet nye heterostrukturer, herunder paraelektriske Ba _0,5 Sr _0,5 TiO ₃ (BSTO) og ferroelektrisk BaTiO ₃ (BTO) epitaksialt på et fleksibelt moskovitisk substrat. Anvendelsen af ​​mekanisk kraft gennem simpel bøjning regulerede den dielektriske konstant (elektrisk energipotentiale) for BSTO fra -77 til 36%, samt kanalstrømmen for BTO-baserede ferroelektriske felteffekttransistorer, ved to ordrer. Ko et al. studerede den detaljerede mekanisme ved at undersøge faseovergang og båndstrukturbestemmelse for at implementere fasefeltsimuleringer og yde teoretisk støtte. Feltet åbner en ny gade for mekanisk kontrollerbare komponenter baseret på heteroepitaxy af oxid af høj kvalitet.

Den periodiske konfiguration af atomer i et fast stof er en konsekvens af energiminimering, hvor de involverede atomer og deres tilsvarende arrangement kan bestemme materialers egenskaber. Som resultat, materialeforskere kan dynamisk indstille periodiciteten af ​​atomarrangementer eller belastningsapplikationer i en grundlæggende tilgang til at justere materialefunktionaliteter. Forskere havde tidligere foreslået flere metoder til at påføre materialer belastning-herunder anvendelse af hydrostatisk tryk for at observere forskydningen af ​​diffraktionstoppe via røntgenanalyse som direkte bevis på gitterændring gennem ekstern kraft. For eksempel, eksterne stimuli såsom magnetiske felter, elektriske felter og lysbelysning kan undergå en gitterændring på grund af magnetostriktion, elektrostriktion og fotostriktion. Begrebet at anvende mekanisk kraft på materialer kan realiseres ved manuel bøjning, da det er den enkleste metode til at forårsage materialedeformation. For at påføre belastning uden absorption ved defektdannelse, materialeforskere kræver materialer af høj kvalitet, såsom enkeltkrystaller eller epitaksiale film, selvom de fleste enkeltkrystaller ikke kan bøjes mekanisk.

To-dimensionelle (2-D) lagdelte oxidmuscovitter er en støtteberettiget kandidat på grund af deres overlegne mekaniske fleksibilitet og høje smeltepunkt (~ 1260 ⁰ C til 1290 ⁰ C). Hvis der kan påføres en stamme på et ikke -lineært dielektrisk gitter, så kan den ændre sin evne til oplagring og størrelsen af ​​ferroelektrisk polarisering. Ikke-lineære dielektriske materialer tilbyder en stærk kobling mellem gitterstrukturen og egenskaberne og mellem de traditionelle ikke-lineære dielektriske materialer-giftfri perovskit Ba _x Sr _1-x TiO ₃ systemer har vist høj følsomhed over for belastning. Som resultat, Ko et al. valgt paraelektrisk Ba _0,5 Sr _0,5 TiO ₃ (BSTO) og ferroelektrisk BaTiO ₃ som modelsystemer i denne undersøgelse for at udvise kontrol ved mekanisk bøjning.

Forskergruppen afstemte den ferroelektriske til paraelektriske faseovergang af Ba _x Sr _1-x TiO ₃ system til styring af de tilsvarende dielektriske og ferroelektriske egenskaber via mekanisk bøjning. De brugte kapacitans-spænding (CV), polarisationsspænding (PV) og strøm-spænding (IV) målinger for at karakterisere den dielektriske konstant af BSTO og ferroelektriske egenskaber af BTO. De byggede også en ferroelektrisk felteffekttransistor (FeFET) på basis af BTO med højmobilitet aluminium-doteret zinkoxid (AZO) halvlederlag og målte dets kanalstrøm for at studere bøjningseffekten på BSTO-kondensatoren og BTO FeFET. Teamet observerede ændringen af ​​gitter under bøjning ved hjælp af Raman-spektroskopi og brugte røntgenfotoelektronspektroskopi til at fremhæve BTO-polariseringens indflydelse på den elektroniske struktur i halvlederens AZO-lag under forskellige bøjningsforhold.

Ko et al. konstrueret BSTO -kondensatoren og BTO FeFET -systemerne på muskovitiske underlag med overlegen krystallinitet, som teamet undersøgte ved hjælp af røntgendiffraktion. De noterede en høj krystallinsk kvalitet af heterostrukturen uden sekundære faser og beregnede krystallkvaliteten af ​​hvert lag ved hjælp af rockingkurvemåling. For at undersøge materialets mikrostruktur karakteriserede de heterostrukturen med højopløselig transmissionselektronmikroskopi og undersøgte belastning ved mekanisk bøjning ved hjælp af muskovitsubstrater på grund af deres mekaniske fleksibilitet, hvor tyndere muskovitter viste bedre bøjning under forsøgene.

Teamet pålagde belastning gennem mekanisk bøjning for at observere ændringer i BTO ferroelektricitet og dielektrisk konstant af BSTO. De gennemførte kapacitans-spænding (CV) og polarisations-spænding (PV) målinger for at forstå, om polarisationsintensiteten af ​​BTO gradvist svækkes under mekanisk bøjning. BSTO -kondensatorens elektriske afstemning nåede omkring 60 til 70%, angiver høj kvalitet af heterostrukturer, og den dielektriske konstant kunne reguleres af det elektriske felt alene, mens stigende eller faldende under positive (trækbelastning) og negative (kompressionsstamme) bøjningskurver. Ko et al. afstemt mængden af ​​ladning, der er lagret i dette dielektriske materiale ved at strække gitterarkitekturen og bemærkede, at adfærd i forhold til de ikke -lineære dielektriske egenskaber kunne kontrolleres og gentages under mekanisk bøjning, med stort potentiale i praksis.

Teamet undersøgte derefter evnen til mekanisk bøjning til at ændre ferroelektriske egenskaber gennem multimålinger, herunder temperaturafhængig Raman-spektroskopi for at studere faseovergangen af ​​ferroelektriske materialer. Resultaterne gav direkte bevis for at kontrollere den ferroelektriske tilstand gennem mekanisk bøjning og yderligere designoptimering af enheden gjorde det muligt for dem at konvertere en enkel og indstillelig ferroelektrisk kondensator til en mekanisk styret transistor. Både tryk- og trækbøjning reducerede strømmen i tilstanden-men belastningseffekten var tydelig under trækbøjning. Forskerne bekræftede, at AZO/BTO/SRO (Strontium ruthenate)/muskovit -substratet var en mekanisk kontrollerbar transistor. Teamet bekræftede disse effekter ved hjælp af piezoresponse force microscopy (PFM) og Kelvin probe force microscopy (KPFM).

På denne måde, D.L. Ko og kolleger udviklede en fleksibel heteroepitaxial kondensator og FeFET, ved hjælp af paraelektrisk BSTO, ferroelektriske BTO og halvledende AZO lag på et 2-D moscovit substrat. BSTO -kondensatoren viste en høj afstemning af dens dielektriske konstant under mekanisk bøjning. I FeFET -komponenten, de nåede en ændring på to størrelsesordener i forholdet mellem on/off strøm i forhold til BTO ferroelektricitet. Resultaterne af undersøgelsen gav dem kritisk indsigt i mekanismen, hvor fleksible og indstillelige elektriske egenskaber var mulige gennem simpel mekanisk bøjning. Dette gennembrud vil give en lovende vej til fremtidige anvendelser af mekanisk afstembar teknologi.

© 2020 Science X Network