충분히 얇게 만들면 반강유전성 물질이 강유전성이 됩니다

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요약 :
반강유전성 재료는 고밀도 에너지 저장 응용 분야에 사용하기에 유리한 전기적 특성을 가지고 있습니다. 연구원들은 이제 반강유전체가 이러한 특성을 잃어 강유전체가 되는 크기 임계값을 발견했습니다.

충분히 얇게 만들면 반강유전성 물질이 강유전성이 됩니다.

노스캐롤라이나주 더럼 | 게시일: 10년 2023월 XNUMX일

"전자 장치는 점점 더 작아지고 있기 때문에 재료의 특성이 작은 규모에서 어떻게 변할 수 있는지 이해하는 것이 점점 더 중요해졌습니다. 노스캐롤라이나 주립대학교에서. “이 경우 반강유전성 박막이 너무 얇아지면 이러한 물질이 상전이를 거쳐 강유전체가 된다는 것을 배웠습니다. 이는 에너지 저장에 덜 유용하지만 메모리 저장에 대한 새로운 응용 가능성을 창출합니다.”

이번 연구는 반강유전성 물질에 초점을 맞췄다. 이러한 물질은 결정 구조를 가지고 있는데, 이는 규칙적으로 반복되는 단위로 구성되어 있음을 의미합니다. 결정 구조의 각 반복 단위에는 음전하와 쌍을 이루는 양전하인 "쌍극자"가 있습니다. 반강유전성 재료를 특별하게 만드는 것은 이러한 쌍극자가 구조 전체에 걸쳐 단위에서 단위로 번갈아 나타난다는 것입니다. 즉, 한 유닛이 "상단"에 양전하를 갖고 "하단"에 음전하를 띠면 다음 유닛은 "하단"에 양전하를, "상단"에 음전하를 가집니다. 쌍극자의 이러한 규칙적인 간격은 또한 거시적 규모에서 반강유전성 재료가 양극 또는 음극이 없음을 의미합니다.

강유전성 물질은 또한 결정 구조를 갖는다. 그러나 강유전체에서는 반복 단위의 쌍극자가 모두 같은 방향을 가리킵니다. 또한 전기장을 적용하여 강유전성 물질의 쌍극자의 극성을 역전시킬 수 있습니다.

반강유전성 물질의 특성이 작은 규모에서 어떻게 변할 수 있는지 알아보기 위해 연구원들은 무연 니오브산나트륨(NaNbO3) 멤브레인에 집중했습니다.

반강유전성 박막은 기판 위에 성장된다. 반강유전성 박막에 대한 잠재적인 크기 관련 효과를 평가하기 위한 이전의 시도는 박막이 여전히 기판 층에 부착되어 있는 동안 박막을 관찰했습니다. 이것은 박막이 기판에 강하게 연결되는 "변형"이 있기 때문에 중요한 문제를 제기합니다. 그리고 박막의 크기와 관련된 영향과 기판과 관련된 변형으로 인해 어떤 영향이 발생하는지 평가하기 어렵습니다.

"이 문제를 해결하기 위해 우리는 반강유전성 박막과 기판 사이에 희생 버퍼층을 도입했습니다."라고 Xu는 말합니다. “박막을 원하는 두께로 성장시킨 후 희생층을 선택적으로 에칭했습니다. 이를 통해 기판에서 박막을 분리할 수 있었습니다. 궁극적으로 이를 통해 기판이 어떤 변화에도 영향을 미치지 않는다는 것을 알았기 때문에 박막의 변화가 크기에 의해 어떻게 영향을 받는지 확인할 수 있었습니다.”

그런 다음 연구원들은 9나노미터(nm)에서 164nm 범위의 두께에서 변형이 없는 샘플을 평가하기 위해 다양한 실험적 및 이론적 접근 방식을 사용했습니다.

Xu는 "결과는 전혀 예상치 못한 것이었습니다."라고 말합니다.

“우리는 원자 수준에서 무연 NaNbO3 멤브레인과 같은 반강유전성 재료가 재료 전체에 교대로 쌍극자를 가지고 있다는 것을 알고 있습니다. 우리는 NaNbO3 멤브레인이 40nm보다 얇을 때 완전히 강유전체가 된다는 것을 발견했습니다. 그리고 40nm에서 164nm까지, 우리는 재료가 강유전성인 일부 영역을 갖고 있는 반면 다른 영역은 반강유전성이라는 것을 발견했습니다.”

실험 데이터를 사용하여 연구원들은 3nm 미만의 두께에서 NaNbO270에 적어도 일부 강유전성 영역이 있을 것이라고 추정했습니다.

"우리가 발견한 흥미로운 것 중 하나는 박막이 강유전성 영역과 반강유전성 영역이 모두 있는 범위에 있을 때 전기장을 적용하여 반강유전성 영역을 강유전성으로 만들 수 있다는 것입니다."라고 Xu는 말합니다. “그리고 이 변화는 되돌릴 수 없었습니다. 즉, 최대 164nm의 두께에서 박막을 완전 강유전성으로 만들 수 있었습니다.”

연구원들은 또한 반강유전성 물질에서 이러한 변화를 일으키는 요인에 대해 몇 가지 결론을 도출할 수 있었습니다.

"첫 번째 원리를 바탕으로 우리는 예외적으로 얇은 반강유전성 물질에서 볼 수 있는 위상 변화가 멤브레인 표면에서 시작되는 구조적 왜곡에 의해 유발된다는 결론을 내릴 수 있었습니다."라고 Xu는 말합니다.

즉, 표면의 불안정성은 재료 전체에 걸쳐 파급 효과가 있습니다. 재료의 부피가 높을 때는 불가능합니다. 그것이 반강유전성 물질이 더 큰 규모에서 강유전성이 되는 것을 막는 것입니다.

"잠재적인 응용 분야에 대해 너무 많이 추측하고 싶지는 않지만 우리의 작업은 크기 효과를 활용하여 재료의 특성을 제어할 수 있는 방법에 대한 중요한 통찰력을 제공합니다."라고 Xu는 말합니다. "우리는 NaNbO3에서 상당한 크기 효과를 입증했으며 이러한 효과를 발견하는 데 사용한 기술은 다양한 다른 재료에 대한 유사한 질문을 탐색하는 데 사용할 수 있습니다."

"Size-Induced Ferroelectricity in Antiferroelectric Oxide Membranes"라는 논문은 Advanced Materials 저널에 오픈 액세스로 게재되었습니다. 이 논문은 NC State의 재료 과학 및 공학 조교수인 Yin Liu가 공동 저술했습니다. Kevin Crust, Varun Harbola, 김우진, Aarushi Khandelwal, Harold Hwang, Melody Wang 및 Stanford University의 X. Wendy Gu; Université de Toulouse의 Rémi Arras; 아칸소 대학교의 Kinnary Patel, Sergey Prosandeev 및 Laurent Bellaiche; Argonne National Laboratory의 Hui Cao 및 Hua Zhou; Cornell University의 Yu-Tsun Shao 및 David Muller; 버클리 캘리포니아 대학교의 Piush Behera, Megha Acharya 및 Lane Martin; Brown University의 Lucas Caretta; Lawrence Berkeley National Laboratory의 Edward Barnard와 Archana Raja; Rice 대학의 Ramamoorthy Ramesh. Ruijuan Xu, Kevin Crust 및 Varun Harbola가 이 작업에 동등하게 기여했습니다.

이 작업은 보조금 번호 DE-AC02-76SF00515에 따라 미국 에너지부의 지원으로 수행되었습니다. 협력 계약 W911NF-21-2-0162를 통해 MURI ETHOS 산하 미 육군 연구실; 및 미 공군 과학 연구 하이브리드 재료 MURI 사무국, 수여 번호. FA9550-18-1-0480.

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연락처 :
미디어 연락처

매트 쉽맨
노스 캐롤라이나 주립 대학
전문가 연락처

루이주안 쉬
NC 주립대 학교

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