Forskere siger, at det første kig på ferroelektriske nanokrystaller på atomare skala peger på terabyte/tommer lagring

Lovende nyheder for dem, der nyder udsigterne til en en-tommers chip, der lagrer flere terabyte data, en vis klarhed er blevet bragt til den hidtil forvirrende fysik af ferroelektriske nanomaterialer. Et multiinstitutionelt team af forskere, ledet af forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har givet den første atomare indsigt i de ferroelektriske egenskaber af nanokrystaller. Disse oplysninger vil være afgørende for udviklingen af ​​den næste generation af ikke-flygtige datalagringsenheder.

Arbejder med verdens mest kraftfulde transmissionselektronmikroskop, forskerne kortlagde de ferroelektriske strukturelle forvrængninger i nanokrystaller af germaniumtellurid, en halvleder, og bariumtitanat, en isolator. Disse data blev derefter kombineret med data fra elektronholografisk polarisationsbilleddannelse for at give detaljerede oplysninger om polarisationsstrukturerne og skaleringsgrænser for ferroelektrisk orden på nanoskalaen.

"Når vi nedskalerer vores enhedsteknologi fra mikroskalaen til nanoskalaen, vi har brug for en bedre forståelse af, hvordan kritiske materialeegenskaber, såsom ferroelektrisk adfærd, er påvirket, " siger Paul Alivisatos, direktør for Berkeley Lab og en af ​​de vigtigste efterforskere i denne forskning. "Vores resultater giver en vej til at optrevle den grundlæggende fysik af ferroelektricitet i nanoskala på den mindst mulige størrelsesskala."

Alivisatos, som også er Larry og Diane Bock professor i nanoteknologi ved University of California (UC) Berkeley, er en tilsvarende forfatter til et papir, der beskriver dette arbejde i tidsskriftet Naturmaterialer med titlen "Ferroelektrisk orden i individuelle krystaller i nanometerskala." Den anden tilsvarende forfatter er Ramamoorthy Ramesh, en seniorforsker ved Berkeley Labs afdeling for materialevidenskab og Plato Malozemoff professor i materialevidenskab og fysik for UC Berkeley.

Ferroelektricitet er den egenskab, hvormed materialer kan polariseres elektrisk, hvilket betyder, at de vil være orienteret til fordel for enten en positiv eller negativ elektrisk ladning. Denne polarisering kan vendes ved anvendelse af et eksternt elektrisk felt, en egenskab, der kunne udnyttes til ikke-flygtig datalagring, ligner brugen af ​​ferromagnetiske materialer i dag, men bruger meget mindre, langt tættere pakkede enheder.

"Selvom der er gjort store fremskridt hen imod forståelse af fotofysiske magnetiske og andre funktionelle egenskaber i nanoskala, forståelsen af ​​ferroelektriske nanomaterialers grundlæggende fysik er stadig langt mindre avanceret, " siger co-principal investigator Ramesh, der tilskriver modstridende rapporter om ferroelektricitet i nanoskala til dels manglen på høj kvalitet, nanokrystaller af ferroelektriske materialer, der har veldefinerede størrelser, former og overflader.

"Et andet problem har været afhængigheden af ​​ensemblemålinger frem for enkeltpartikelteknikker, " siger han. "Statistisk-gennemsnit måleteknikker har en tendens til at skjule de fysiske mekanismer, der er ansvarlige for dybtgående ændringer i ferroelektrisk adfærd i individuelle nanokrystaller."

Det Berkeley Lab-ledede forskerhold var i stand til at kortlægge ferroelektriske strukturelle forvrængninger inden for individuelle nanokrystaller takket være de hidtil usete muligheder i TEAM I, som har til huse på Berkeley Labs National Center for Electron Microscopy (NCEM). TEAM står for "Transmission Electron Aberration-corrected Microscope." TEAM I kan opløse billeder af strukturer med dimensioner så små som en halv ångstrøm – mindre end diameteren af ​​et enkelt brintatom.

Kortene fremstillet hos TEAM I af ferroelektriske forvrængningsmønstre i de stærkt ledende germanium tellurid nanokrystaller blev derefter sammenlignet med elektronholografiske undersøgelser af isolerende nanokuber af bariumtitanat, som blev udført af samarbejdspartnere ved Brookhaven National Laboratory (BNL).

"Elektronholografi er en interferometriteknik, der bruger kohærente elektronbølger, " sagde BNL fysiker og medforfatter af Naturmaterialer papir Myung-Geun Han. "At affyre fokuserede elektronbølger gennem den ferroelektriske prøve skaber det, der kaldes et faseskift, eller et interferensmønster, der afslører detaljer om den målrettede struktur. Dette producerer et elektronhologram, som vi kan bruge til direkte at se lokale elektriske felter af individuelle ferroelektriske nanopartikler."

Disse kombinerede undersøgelser muliggjorde uafhængig undersøgelse af depolariserende felt- og overfladestrukturpåvirkninger og gjorde det muligt for forskerholdet at identificere de fundamentale faktorer, der styrer arten af ​​den ferroelektriske polariserede tilstand ved endelige dimensioner. Resultaterne indikerer, at en monodomæne ferroelektrisk tilstand med lineært ordnet polarisation forbliver stabil i disse nanokrystaller ned til dimensioner på mindre end 10 nanometer. Også, rumtemperaturpolarisationsvending blev demonstreret ned til dimensioner på omkring fem nanometer. Under denne tærskel, ferroelektrisk adfærd forsvandt. Dette indikerer, at fem nanometer sandsynligvis er en størrelsesgrænse for datalagringsapplikationer, oplyser forfatterne.

"Vi viste også, at ferroelektrisk sammenhæng lettes delvist af kontrol af partikelmorfologi, som sammen med elektrostatiske randbetingelser er fundet at bestemme den rumlige udstrækning af kooperative ferroelektriske forvrængninger, " siger Ramesh. "Tilsammen, vores resultater giver et glimt af de strukturelle og elektriske manifestationer af ferroelektricitet ned til dens ultimative grænser."