Polarisationsskift på flere niveauer i ferroelektriske tynde film

Ferroelektriske materialer har fundet udbredt anvendelse i dagligdags teknologi, hovedsageligt på grund af deres elektriske polarisering, der kan skiftes mellem to forskellige tilstande. At overvinde den binære grænse for ferroelektrik for at opnå en hvilken som helst vilkårlig værdi af polarisationen har været en langvarig udfordring, men har potentialet til at udvide omfanget af ferroelektriske applikationer betydeligt, for eksempel mod neuromorf databehandling.

Moderne elektronik er en digital verden, hvor information genereres, lagres og behandles i form af nuller og ettaller. For at opfylde deres funktion er mange elektroniske komponenter således afhængige af materialer, der i sagens natur er binære. I magnetiske harddiske, for eksempel, er information kodet i den remanente magnetisering af en ferromagnet, der er defineret af den velkendte magnetiske hysterese og kan antage præcis to forskellige værdier. Magnetiske domæner på harddisken (dvs. områder med en ensartet magnetisering) udgør så hukommelsesbits.

Mens binær elektronik uden tvivl har ført til utallige præstationer, er de ved at nå deres grundlæggende størrelsesrelaterede grænser. Ydermere har denne binære tilgang været upraktisk til at efterligne analoge biologiske systemer – såsom den synaptiske transmission i hjernen – der lover meget som grundlaget for højeffektiv næste generations neuromorf elektronik.

Med fokus på ferroelektriske materialer - materialer med en omskiftelig spontan elektrisk polarisation - har forskere fra Laboratory for Multifunctional Ferroic Materials og Electron Microscopy Center på EMPA nu med succes indset kapaciteten til at indstille enhver vilkårlig værdi af polarisationen til remanens. Det opnåede de i tynde film af blyzirkonattitanat (PbZr_x Ti_1-x O₃ , kort sagt PZT) - det teknologisk mest relevante ferroelektriske materiale, der har fundet udbredt anvendelse, for eksempel i tryksensorer eller ultralydsenheder på grund af dets piezoelektriske egenskaber.

For at opnå denne kontinuerlige omskiftelighed af polarisationen kombinerede holdet to særlige aspekter i deres designtilgang. Først fokuserede de på en kemisk sammensætning af PZT, der ligger tæt på en faseustabilitet, hvor selv små elektriske felter kan inducere meget store materialeresponser, såsom mekanisk deformation. For det andet valgte de at fremstille epitaksiale film med en tykkelse på blot nogle få nanometer, hvor belastningen induceret af det underliggende enkeltkrystallinske substrat fungerer som et håndtag til at styre den ferroelektriske domænearkitektur.

Baseret på denne strategi forberedte forskerne filmene ved hjælp af et atomisk præcist pulseret laseraflejringssystem udstyret med avancerede in-situ overvågningsværktøjer og formåede at opnå en domænekonfiguration i PZT-filmene bestående af tilfældigt arrangerede nanoskopiske (≈10 nm) domæner. Overraskende fandt de, at anvendelsen af ​​et elektrisk felt tillader at vende polariseringen i hvert domæne uden at ændre den nanometriske domænestørrelse. Fordi domænerne udviser en bred fordeling af koblingsbarrierer, var det endvidere muligt kun at skifte en brøkdel af domænerne med én påført spændingsværdi. Ved at tage et gennemsnit over en håndfuld domæner var de således i stand til at stabilisere enhver værdi af polarisationen ved remanens mellem depolariserede og fuldt mættede tilstande.

For at demonstrere den teknologiske relevans af en kontinuerlig nanoskala polarisationskontrol udførte forskerne to proof-of-concept eksperimenter. For deres første applikation viste de, at ved rumlig styring af netpolarisationen er det muligt at justere effektiviteten for optisk frekvensfordobling - anden harmonisk generation - en egenskab, der spiller en stor rolle for fotoniske applikationer. For det andet demonstrerede de en kvasi-kontinuerlig afstemning af tunnelstrømmen, der strømmer gennem PZT-filmen afhængigt af nettopolariseringen. Ud over at tilbyde en ikke-destruktiv udlæsning af polarisationen, åbner denne manipulation af strømflowet spændende muligheder for fremstilling af kunstige synapser.

Deres undersøgelse er offentliggjort i Nature Communications . + Udforsk yderligere

Fysikere opdager lysinduceret mekanisme til styring af ferroelektrisk polarisering