Ingeniører håndterer materialer, der er svære at kortlægge

De egenskaber, der gør materialer som halvledere så eftertragtede, skyldes den måde, deres atomer er forbundet på, og indsigt i disse atomare konfigurationer kan hjælpe forskere med at designe nye materialer eller bruge eksisterende materialer på nye, uforudsete måder.

Materialeforsker Yimo Han fra Rice University og samarbejdspartnere har nu kortlagt de strukturelle træk ved et 2D-ferroelektrisk materiale lavet af tin- og selenatomer og viser, hvordan domæner - områder af materialet, hvori molekyler er identisk orienteret - påvirker materialets opførsel.

"Ferroelektriske materialer er meget udbredt i applikationer såsom hukommelser og sensorer, og de vil sandsynligvis blive mere og mere nyttige til at bygge næste generations nanoelektronik og in-memory computing," sagde Chuqiao Shi, en Rice-studerende i Han-laboratoriet og hovedforfatter på undersøgelsen offentliggjort i Nature Communications. "Det er fordi 2D ferroelektriske materialer har bemærkelsesværdige egenskaber og er karakteriseret ved deres atomare tyndhed og forbedrede integrationsevner."

I ferroelektriske materialer er molekyler polariserede, og de adskiller og justerer sig også baseret på polarisering. Desuden ændrer 2D-ferroelektrik form som reaktion på elektriske stimuli - et fænomen kendt som invers flexoelektricitet. I tin-selen krystal, som er fokus for denne forskning, organiserer molekyler sig selv i pletter eller domæner, og den flexoelektriske effekt får disse til at bevæge sig, hvilket giver anledning til strukturelle skift i materialet, som påvirker dets egenskaber og adfærd.

"Det er virkelig vigtigt, at vi forstår det indviklede forhold mellem atomstruktur og elektrisk polarisering, som er et kritisk træk i ferroelektriske materialer," sagde Han, en assisterende professor i materialevidenskab og nanoteknik. "Denne domæneafhængige struktur kan være meget nyttig for ingeniører til at finde ud af, hvordan de bedst bruger materialet og stole på dets egenskaber til at designe applikationer."

I modsætning til konventionel ferroelektrik, hvor atomer er bundet af et stift gitter, i den tin-selenit-krystal, som Han og Shi har studeret, er de kræfter, der binder atomerne sammen, svagere, hvilket giver atomgitteret en mere smidig og bøjelig kvalitet.

"Materialet tilhører en speciel klasse af 2D-materialer kendt som van der Waals ferroelektrik, hvis egenskaber kan tjene til at designe næste generation, ultratynde datalagringsenheder og sensorer," sagde Shi. "Van der Waals kræfter er svagere end kemiske bindinger - de er den samme slags kræfter, som gør det muligt for gekkoer at trodse tyngdekraften og klatre på vægge.

"De bløde in-plane gitter af dette 2D-materiale kombineret med relativt svagere mellemlags van der Waals-kræfter giver anledning til et unikt strukturelt landskab. Disse karakteristiske strukturelle egenskaber genererer effekter, der er eksklusive for 2D-ferroelektrik, som er fraværende i deres bulk-modstykker."

Atomgitterets større grad af fleksibilitet eller frihed i 2D van der Waals ferroelektrik gør det vanskeligere at kortlægge forholdet mellem polarisering og materialestruktur.

"I vores undersøgelse udviklede vi en ny teknik, der giver os mulighed for at se på både in-plane strain og out-of-plane stabling order samtidigt, hvilket er noget, konventionelle undersøgelser af dette materiale ikke var i stand til at gøre tidligere," sagde Han. "Vores resultater er sat til at revolutionere domæneteknik i 2D van der Waals ferroelektrik og placere dem som grundlæggende byggesten i udviklingen af ​​avancerede enheder til fremtiden," sagde Han.

Rettelsesnote (12/7/2023):I afsnit 4 er 'flexoelectricity' blevet opdateret til 'invers flexoelectricity' for nøjagtigheden."

Flere oplysninger: Chuqiao Shi et al., Domæneafhængig belastning og stabling i todimensionel van der Waals ferroelektrik, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42947-3

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Rice University