Ved at holde ferroelektriske bobler intakte baner forskere vej for nye enheder

Da en tryllekunstner pludselig trækker en dug af et bord fyldt med tallerkener og glas, opstår der et øjebliks spænding, mens publikum spekulerer på, om scenen snart vil være fyldt med glasskår. Indtil nu har et analogt dilemma stået over for videnskabsmænd, der arbejder med specielle elektriske bobler for at skabe den næste generation af fleksible mikroelektroniske og energilagringsenheder.

Forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory har opdaget en ny måde at lave en atom-skala version af dugetricket ved at skrælle heterostruktur tynde film af, der indeholder elektriske bobler fra et bestemt underliggende materiale eller substrat, og samtidig beholde dem helt intakt. Opdagelsen kan bringe os et skridt nærmere en række applikationer, der er afhængige af disse usædvanlige og sprøde strukturer.

"Du kan tænke på det som at prøve at fjerne et hus fra dets fundament. Normalt ville du tro, at huset ville kollapse, men vi fandt ud af, at det beholdt alle dets egenskaber," sagde Saidur Bakaul, Argonne-materialeforsker

"Boblerne er meget skrøbelige og har i begyndelsen brug for særlige underliggende materialer, kaldet substrater, og specifikke forhold for at kunne dyrke film med dem i," sagde Argonne-materialeforsker Saidur Bakaul. "Der er mange materialer af interesse for os, som disse bobler kunne være ekstremt nyttige til, som plastik. Vi har dog ikke været i stand til at dyrke dem direkte på disse materialer. Vores forskning er det første skridt til at gøre bobler mulige der."

De elektriske bobler findes i en trelags ultratynd struktur med vekslende elektriske egenskaber:ferroelektrisk, så dielektrisk, så ferroelektrisk igen. Boblerne i denne flerlagsstruktur er lavet af specialordnede dipoler eller tvillingeladninger. Orienteringen af ​​disse dipoler er baseret på den lokale belastning i materialet og ladninger på overfladen, som får dipolerne til at opsøge deres relative laveste energitilstand. Til sidst dannes de elektriske bobler (bobledomæner), men kun når visse betingelser er opfyldt. De bliver også let forvrænget af selv små kræfter.

I eksperimentet dyrkede Bakauls kolleger ved University of New South Wales først boblerne i en ultratynd heterostrukturfilm på et strontiumtitanat-substrat - et af de nemmeste materialer at lave dem på. Derefter stod Bakaul over for udfordringen med at fjerne heterostrukturen fra substratet og samtidig bevare boblerne. "Du kan tænke på det som at prøve at fjerne et hus fra dets fundament," sagde han. "Normalt skulle man tro, at huset ville kollapse, men vi fandt ud af, at det beholdt alle sine ejendomme."

Bobledomæner er små. De er kun omkring 4 nanometer i radius - lige så brede som en menneskelig DNA-streng. Derfor er de svære at se. I Argonnes Materials Science-afdeling giver avancerede scanningsprobemikroskopiteknikker med Fourier-transformationsanalyse forskerne mulighed for ikke kun at se dem, men også kvantificere deres egenskaber i de fritstående film.

For at fastslå, at bobledomænerne forblev intakte, målte Bakaul deres elektroniske (kapacitans) og piezoelektriske egenskaber gennem to mikroskopiteknikker:scanningsmikrobølgeimpedansmikroskopi og piezoresponskraftmikroskopi. Hvis boblerne var gået i opløsning, ville kapacitansen have ændret sig under en påført spænding, men Bakaul så, at den forblev relativt stabil op til en ret høj spænding.

Disse eksperimenter validerede numeriske estimeringer af kapacitans opnået fra teoretiske analyser, som Bakaul og hans elev udviklede ved at kombinere atomistiske simuleringer med kredsløbsteori. "Kombinationen af ​​eksperiment og simulering viste endegyldigt, at disse bobler er i stand til at leve, selv når de fjernes fra det originale substrat. Det var noget, vi havde håbet på at opnå i lang tid," sagde Bakaul.

Da boblerne blev fjernet, antog heterostrukturfilmen - der tidligere lå fladt som en dug - pludselig et kruset udseende. Mens Bakaul bemærkede, at mange kunne antage, at denne ændring ville forringe boblernes egenskaber, fandt han ud af, at boblerne faktisk var beskyttet af en ændring i materialernes indbyggede spænding. Atomistiske simuleringer udført af Bakauls kolleger ved University of Arkansas antydede, at den elastiske energi ved de frie grænseflader er oprindelsen til krusningsdannelsen.

Resultatet er spændende, ifølge Bakaul, fordi disse bobler har usædvanlige og spændende elektriske og mekaniske egenskaber. "Ferroelektriske bobler er nyopdagede objekter i nanoskala," sagde han. "Der er enighed i samfundet om, at de kan have mange anvendelsesmuligheder. For eksempel resulterer transformation af disse bobler i en usædvanlig høj elektromekanisk respons, som kan have anvendelser i en lang række enheder inden for mikroelektronik og energiapplikationer."

Selvom det er fysik og ikke magi, der har skabt en potentiel ny mulighed for integrationen af ​​disse bobler, indikerede Bakaul, at nye teknologier baseret på dem kunne have en transformativ indvirkning. "Uanset om vi diskuterer energihøstere eller supercomputere, kan disse bobler gøre en stor forskel for mange forskellige materialer og applikationer," sagde han.

Et papir baseret på forskningen blev offentliggjort i 19. september-udgaven af ​​ Advanced Materials. + Udforsk yderligere

Udforskning af den "mørke side" af en enkeltkrystal kompleks oxid tynd film