Ændring af ferroelektriske materialers egenskaber ved at forlade et enkelt oxygenatom

Forskere i Technion Institut for Materialevidenskab og Teknik er lykkedes med at ændre et materiales elektriske egenskaber ved at fjerne et iltatom fra den oprindelige struktur. Mulige anvendelser omfatter miniaturisering af elektroniske enheder og strålingsdetektion.

Hvad har ultralydsbilleddannelse af et foster, mobilkommunikation, mikromotorer og computerhukommelser med lavt energiforbrug til fælles? Alle disse teknologier er baseret på ferroelektriske materialer, som er karakteriseret ved en stærk sammenhæng mellem deres atomare struktur og de elektriske og mekaniske egenskaber.

Forskere fra Technion-Israel Institute of Technology er lykkedes med at ændre egenskaberne af ferroelektriske materialer ved at fjerne et enkelt oxygenatom fra den oprindelige struktur. Gennembruddet kan bane vejen for udvikling af nye teknologier. Forskningen blev ledet af adjunkt Yachin Ivry fra Institut for Materialevidenskab og Teknik, ledsaget af postdoc-forsker Dr. Hemaprabha Elangovan og Ph.D. studerende Maya Barzilay, og blev udgivet i ACS Nano . Det bemærkes, at konstruktion af en individuel ilt ledig stilling udgør en betydelig udfordring på grund af den lette vægt af iltatomer.

I ferroelektriske materialer forårsager en lille forskydning af atomerne betydelige ændringer i det elektriske felt og i sammentrækningen eller udvidelsen af ​​materialet. Denne effekt er resultatet af, at den grundlæggende gentagelsesenhed i materialet indeholder atomer, der er organiseret i en asymmetrisk struktur.

For at forklare dette yderligere bruger forskerne det sædvanlige ferroelektriske materiale, bariumtitanat, hvis atomer danner en kubisk-lignende gitterstruktur. I disse materialer opstår et unikt fænomen:titaniumatomet trækker væk fra iltatomerne. Da titanium er positivt ladet, og oxygen er negativt ladet, skaber denne adskillelse polarisering, eller med andre ord, et elektrisk dipolmoment.

Et kubisk gitter har seks flader, så de ladede atomer bevæger sig ind i en af ​​seks muligheder. I forskellige dele af materialet skifter et stort antal naboatomer i samme retning, og polariseringen i hvert sådant område, som er kendt som et ferroelektrisk domæne, er ensartet. Traditionelle teknologier er baseret på det elektriske felt, der skabes i disse domæner. Men i de senere år er der blevet rettet en stor indsats på at minimere enhedsstørrelsen og bruge grænserne eller væggene mellem domænerne frem for selve domænerne og dermed konvertere enhederne fra tredimensionelle strukturer til todimensionelle strukturer.

Forskermiljøet har været delt i meninger om, hvad der sker i domænevæggenes todimensionelle verden:Hvordan stabiliseres grænsen mellem to domæner med forskellig elektrisk polarisering? Er polariseringen i domænevægge anderledes end polariseringen i selve domænerne? Kan egenskaberne af domænevæggen kontrolleres på en lokaliseret måde? Den store interesse for at løse disse spørgsmål stammer fra det faktum, at et ferroelektrisk materiale i sin naturlige form er en fremragende elektrisk isolator. Domænevæggene kan dog være elektrisk ledende og dermed danne et todimensionelt objekt, der kan kontrolleres af vilje. Dette fænomen omfatter potentialet til at reducere energiforbruget af datalagrings- og databehandlingsenheder markant.

I dette projekt lykkedes det forskerne at dechifrere atomstrukturen og udbredelsen af ​​elektriske felter i domænevægge på atomær skala. I deres nylige artikel bekræfter de antagelsen om, at domænevægge tillader eksistensen af ​​en todimensionel grænse mellem domæner som følge af delvis ilttomgang i områder, der er fælles for to domæner, hvilket muliggør større fleksibilitet i udbredelsen af ​​det lokale område. elektrisk felt. Det lykkedes dem ingeniørmæssigt at inducere et individuelt iltatomtomrum og demonstrerede, at denne handling skaber modsatrettede dipoler og større elektrisk symmetri - en unik topologisk struktur kaldet en quadrupol.

Ved hjælp af computersimuleringer af Shi Liu fra Westlake University i Kina påviste forskerne, at konstruktion af iltatomets tomgang har stor indflydelse på materialets elektriske egenskaber ikke kun på atomær skala, men også i den skala, der er relevant. til elektroniske enheder - for eksempel med hensyn til elektrisk ledningsevne. Betydningen er, at den nuværende videnskabelige præstation sandsynligvis vil være en hjælp til at miniaturisere enheder af denne art samt reducere deres energiforbrug.

I samarbejde med forskere fra Negev Nuclear Research Center påviste Technion-forskningsgruppen også, at ilt ledige pladser kan konstrueres ved at udsætte materialet for elektronisk stråling. Ud over det teknologiske potentiale i opdagelsen inden for elektronik kan det derfor også være muligt at udnytte effekten til strålingsdetektorer, hvilket giver mulighed for tidlig opdagelse - og forebyggelse - af atomulykker, som den der skete i 2011 i Fukushima , Japan. + Udforsk yderligere

Undersøgelse udfordrer standardideer om piezoelektricitet i ferroelektriske krystaller