Belastningsdrevet autonom kontrol af kationfordeling til kunstig ferroelektrik

Teoretisk materialedesign og eksperimentel syntese har udviklet sig i de sidste par årtier med en nøglerolle i udviklingen af ​​funktionelle materialer, nyttig til næste generations teknologier. Ultimativt, imidlertid, målet med syntesevidenskab mangler at blive nået for at lokalisere atomer i en bestemt position af stof. I en ny rapport, der nu er offentliggjort den Videnskabens fremskridt , Changhee Sohn og forskere i materialevidenskab og nanostrukturfysik i USA og Republikken Korea udviklede en unik metode til at injicere elementer i en specifik krystallografisk position i et kompositmateriale via strain engineering. Holdet viste en kraftfuld måde at bruge belastning til kunstigt at manipulere atompositionen til syntese af nye materialer og strukturer. Resultaterne er anvendelige til en bred vifte af systemer for at give en ny vej til funktionelle materialer.

Brug af belastning til at udvikle nye materialer.

Epitaksial belastning stammer fra gittermisforholdet mellem en film og et substrat for at manipulere vigtige fysiske egenskaber af materialer. De har også revolutioneret industrier til at udvikle hurtige centrale computerprocessorer. Ferroelektricitet og dens potentiale for hukommelse med ultrahøj tæthed viser vigtigheden af ​​strain engineering i fremtidige teknologier. I en nylig teoretisk forudsigelse, forskere foreslog en urapporteret rolle af belastning for at udvikle nye materialer ved at indsætte og genplacere individuelle atomer på en stedspecifik måde i en enhedscelle af materialer. Ved at bruge denne belastningsdrevne metode, Sohn et al. kombinerede lagdelte perovskitmaterialer såsom Bi ₄ Ti ₃ O ₁₂ (forkortet som BiT) og simple perovskiter med den generelle formel ABO ₃ . BiT er et unikt ferroelektrisk materiale med tre oktaedriske iltunderlag, der er klemt mellem to BiO ₂ ^- lag. I en separat syntetisk tilgang, Sohn et al. dannede en sammensat Bi ₅ Ti ₃ FeO ₁₂ (BiTF) på underenhedsniveauet efter stamme og kontrollerede de indsatte jern (Fe) ioner på underenhedsniveauet. Under forsøgene, de brugte pulseret laseraflejring med to mål Bi ₄ Ti ₃ O ₁₂ (forkortet som BiT) og bismuthferrit (BiFeO ₃ ), forkortet BFO, at demonstrere vækstkontrol af kompositmaterialer ved at legere BFO med lagdelt BiT. Under forsøgene, de ablerede materialet på underenhedscelleniveau på strontiumtitanat (SrTiO ₃ ) substrater for præcist at kontrollere deres sammensætning. Ved hjælp af scanning transmission elektronmikroskopi (STEM), holdet visualiserede den fuldstændige indsættelse af de yderligere oktaedriske lag mellem supplerende BiO ₂ ^- lag. De opnåede højvinklede ringformede mørkefelts (HAADF) billeder af BiT- og BiTF-film dyrket på strontiumtitanatsubstrater, hvor de lyse og intense signaler ankom fra tunge bismuth (Bi) ioner og svagere signaler ankom fra de lettere titanium- og jernioner. Ved at bruge metoden med to mål, Sohn et al. også syntetiserede epitaksiale BiTF tynde film på forskellige substrater med forskellige retninger og størrelser af belastning.

For at forstå den belastningsafhængige fordeling af Fe-ioner i materialerne på atomær skala, Sohn et al. udført energidispersiv røntgenspektroskopi-kortlægning kombineret med STEM (scanning transmission elektronmikroskopi) på BiTF-film. Ved hjælp af atomisk opløst energi dispersiv røntgen (EDX) kortlægning, holdet afslørede den tydelige udvikling af materialet. Den fremragende overensstemmelse mellem stammens rolle og den teoretiske forudsigelse understøttede dens rolle i at kontrollere Fe-ionfordelingen i filmen. Forskerne var også ivrige efter at forstå, hvordan indsættelse og placering af Fe-ioner i BiT påvirkede filmens makroskopiske egenskaber. For at opnå dette, de fokuserede først på de optiske egenskaber, der er vigtige for at forstå elektroniske strukturer på det grundlæggende niveau og til tekniske anvendelser. Efter indsættelse af BFO-blokke observerede forskerne båndgab-reduktion. Sohn et al. observerede også forholdet mellem ferroelektricitet af BiTF-film og den kationiske fordeling af jernioner. Derefter, ved hjælp af Kelvin probe kraftmikroskopi (cKPFM), de undersøgte filmenes piezoelektriske egenskaber for at bemærke stærk substratafhængighed af lateral og vertikal ferroelektricitet.

Outlook

På denne måde Changhee Sohn og kolleger demonstrerede det unikke stamme-drevne syntetiske paradigme, der gjorde det muligt for forskere at indsætte atomer og selvstændigt lede dem til en specifik krystallografisk position af stof. Metoden adskiller sig fra velkendte syntesemetoder, såsom konventionel heterostrukturkonstruktion eller simpel legering af to forskellige materialer. Den belastningsdrevne kunstige kontrol af atomare positioner kan booste forskning i materialevidenskab og kondenseret stoffysik for at udvikle multifunktionelle sammensatte systemer. Baseret på denne metode, Sohn et al. forventer at syntetisere multiferroiske materialer og kontrollere deres magnetiske grundtilstand gennem kationisk fordeling.

© 2021 Science X Network