Søger svar inden for ferroelektrisk mønstre

Hvorfor viser nogle ferroelektriske materialer bobleformet mønster, mens andre viser komplekse, labyrintiske mønstre?

En FLEET-undersøgelse finder, at svaret på de skiftende mønstre i ferroelektriske film ligger i ikke-ligevægtsdynamik, med topologiske defekter, der driver den efterfølgende evolution.

Ferroelektriske materialer kan betragtes som en elektrisk analogi til ferromagnetiske materialer, med deres permanente elektriske polarisering, der ligner nord- og sydpolen af ​​en magnet.

At forstå fysikken bag deres domænemønsterændringer er afgørende for at designe avanceret lavenergi ferroelektrisk elektronik, eller hjerne-inspireret neuromorfisk databehandling.

Labyrint vs bobler:hvilke mønstre afslører

De karakteristiske domænemønstre for tyndfilms ferroelektriske materialer er stærkt påvirket af typen af ​​materialer, og af filmkonfigurationen (substrat, elektrode, tykkelse, struktur, etc).

"Vi ønskede at forstå, hvad der driver fremkomsten af ​​et mønster frem for et andet, " forklarer Dr. Qi (Peggy) Zhang (UNSW), der ledede eksperimenter på UNSW.

"For eksempel:hvad driver dannelsen af ​​mosaikformet domænemønster, i stedet for labyrintformet mønster. Og hvorfor skulle man drive en efterfølgende ændring til bobleformet mønster."

Forskerholdet søgte efter en fælles ramme eller køreplan, der kunne føre til sådanne domænearrangementer.

"Er der en topologisk signatur i disse stater? Er deres topologi udviklende? Og hvis ja, hvordan det? Det er den type svar, vi søgte, " siger hovedforfatter Dr. Yousra Nahas (University of Arkansas).

"Vi fandt ud af, at selvmønster af ferroelektriske polære domæner kan forstås ved at undersøge ikke-ligevægtsdynamikken, og at en fælles ramme er faseadskillelseskinetik.

"Vi udførte også topologisk karakterisering, og studerede mønsterudvikling under en ekstern, påført elektrisk felt, som afslørede den afgørende rolle af topologiske defekter i at mediere mønstertransformationen."

"Resultaterne af denne undersøgelse bygger en køreplan (et fasediagram over polære domænemønstre) som forskere kan bruge, når de ønsker at 'navigere' gennem flerheden af ​​modulerede faser i lavdimensionel ferroelektrik, siger co-lead forfatter Dr. Sergei Prokhorenko (University of Arkansas).

Denne undersøgelse er derfor interessant inden for sit eget felt (fysik af kondenseret stof, ferroelektrik), men kan også være relevant for et tværfagligt publikum med hensyn til universaliteten af ​​koncepter og resultater.

Studiet

Forskere undersøgte domæneegenskaber og domæneudviklinger af tyndfilm Pb(Zr _0,4 Ti _0,6 )O ₃ (eller "PZT") gennem omfattende modellering og eksperimentel undersøgelse (piezorespons kraftmikroskop).

Forskerne fandt ud af, at:

• Elektrisk feltkontrol af skyrmion-densitet fremkalder hysteretisk ledningsevne, som kunne udnyttes til solid-state neuromorphic computing
• Engineering topologisk orden i ferroiske systemer kan forbedre funktionelle topologisk-baserede egenskaber.

"Topologi og kontrol af selvsamlede domænemønstre i lavdimensionel ferroelektrik" blev offentliggjort i Naturkommunikation i november 2020.