Làm cho chúng đủ mỏng và vật liệu phản sắt điện trở thành sắt điện

Trang Chủ > Ấn Bản > Làm cho chúng đủ mỏng và vật liệu phản sắt điện trở thành sắt điện

Tóm tắt:
Vật liệu phản sắt điện có các đặc tính điện khiến chúng thuận lợi để sử dụng trong các ứng dụng lưu trữ năng lượng mật độ cao. Các nhà nghiên cứu hiện đã phát hiện ra một ngưỡng kích thước vượt quá ngưỡng mà chất phản sắt điện mất đi các đặc tính đó, trở thành chất sắt điện.

Làm cho chúng đủ mỏng và vật liệu phản sắt điện trở thành sắt điện

Durham, NC | Đăng ngày 10 tháng 2023 năm XNUMX

Ruijuan Xu, tác giả tương ứng của một bài báo về công trình và là trợ lý giáo sư về khoa học và kỹ thuật vật liệu cho biết: “Các thiết bị điện tử ngày càng nhỏ hơn, điều này khiến chúng ta ngày càng quan trọng để hiểu các đặc tính của vật liệu có thể thay đổi như thế nào ở quy mô nhỏ”. tại Đại học Bang Bắc Carolina. “Trong trường hợp này, chúng tôi biết được rằng khi màng mỏng phản sắt điện trở nên quá mỏng, những vật liệu này sẽ trải qua quá trình chuyển pha và trở thành sắt điện. Điều đó làm cho chúng ít hữu ích hơn cho việc lưu trữ năng lượng, nhưng lại tạo ra một số khả năng ứng dụng mới cho việc lưu trữ bộ nhớ.”

Nghiên cứu này tập trung vào vật liệu phản sắt điện. Những vật liệu này có cấu trúc tinh thể, có nghĩa là chúng bao gồm các đơn vị lặp lại thường xuyên. Mỗi đơn vị lặp lại trong cấu trúc tinh thể có một “lưỡng cực” – một điện tích dương kết hợp với một điện tích âm. Điều làm cho vật liệu phản sắt điện trở nên đặc biệt là các lưỡng cực đó luân phiên từ đơn vị này sang đơn vị khác trong toàn bộ cấu trúc. Nói cách khác, nếu một đơn vị có điện tích dương ở “đỉnh” và điện tích âm ở “đáy”, thì đơn vị tiếp theo sẽ có điện tích dương ở “đáy” và điện tích âm ở “đỉnh”. Khoảng cách đều đặn của các lưỡng cực này cũng có nghĩa là, ở cấp độ vĩ mô, vật liệu phản sắt điện không có sự phân cực dương hoặc âm.

Vật liệu sắt điện cũng có cấu trúc tinh thể. Nhưng trong sắt điện, các lưỡng cực trong các đơn vị lặp lại đều hướng về cùng một hướng. Hơn nữa, bạn có thể đảo ngược sự phân cực của các lưỡng cực trong vật liệu sắt điện bằng cách đặt một điện trường.

Để tìm hiểu xem các đặc tính của vật liệu phản sắt điện có thể thay đổi như thế nào ở quy mô nhỏ, các nhà nghiên cứu tập trung vào màng natri niobate (NaNbO3) không chì.

Màng mỏng chống sắt điện được trồng trên đế. Những nỗ lực trước đây để đánh giá các hiệu ứng tiềm năng liên quan đến kích thước trên các màng mỏng phản sắt điện đã xem xét các màng mỏng trong khi các màng này vẫn được gắn vào lớp chất nền. Điều này đặt ra những thách thức đáng kể, bởi vì có những “biến dạng” trong đó màng mỏng liên kết chặt chẽ với chất nền – và rất khó để đánh giá những tác động nào liên quan đến kích thước của màng mỏng và những tác động nào do các biến dạng liên quan đến chất nền gây ra.

Xu cho biết: “Để giải quyết thách thức này, chúng tôi đã giới thiệu một lớp đệm hy sinh giữa màng mỏng phản sắt điện và chất nền. “Sau khi chúng tôi đã phát triển màng mỏng đến độ dày mong muốn, chúng tôi sẽ khắc lớp hy sinh một cách có chọn lọc. Điều này cho phép chúng tôi tách màng mỏng ra khỏi đế. Cuối cùng, điều này cho phép chúng tôi xác định bất kỳ thay đổi nào trong màng mỏng bị ảnh hưởng như thế nào bởi kích thước của nó, bởi vì chúng tôi biết rằng chất nền không góp phần vào bất kỳ thay đổi nào.”

Sau đó, các nhà nghiên cứu đã sử dụng nhiều phương pháp thử nghiệm và lý thuyết khác nhau để đánh giá các mẫu không bị biến dạng này ở độ dày từ 9 nanomet (nm) đến 164 nm.

“Kết quả khá bất ngờ,” Xu nói.

“Chúng tôi biết rằng ở quy mô nguyên tử, vật liệu phản sắt điện – như màng NaNbO3 không chì – có các lưỡng cực xen kẽ trong vật liệu. Chúng tôi thấy rằng khi màng NaNbO3 mỏng hơn 40 nm, chúng trở nên sắt điện hoàn toàn. Và từ 40 nm đến 164 nm, chúng tôi thấy rằng vật liệu này có một số vùng là sắt điện, trong khi những vùng khác là phản sắt điện.”

Sử dụng dữ liệu thực nghiệm của họ, các nhà nghiên cứu đã ngoại suy rằng sẽ có ít nhất một số vùng sắt điện trong NaNbO3 ở bất kỳ độ dày nào dưới 270 nm.

“Một trong những điều thú vị mà chúng tôi tìm thấy là khi các màng mỏng nằm trong phạm vi có cả vùng sắt điện và phản sắt điện, chúng tôi có thể làm cho vùng phản sắt điện trở thành sắt điện bằng cách đặt một điện trường,” Xu nói. “Và sự thay đổi này là không thể đảo ngược. Nói cách khác, chúng tôi có thể tạo ra màng mỏng hoàn toàn bằng sắt điện ở độ dày lên tới 164 nm.”

Các nhà nghiên cứu cũng có thể đưa ra một số kết luận về điều gì đang thúc đẩy những thay đổi này trong vật liệu phản sắt điện.

“Dựa trên các nguyên tắc đầu tiên, chúng tôi có thể kết luận rằng sự thay đổi pha mà chúng ta thấy trong các vật liệu phản sắt điện mỏng đặc biệt được điều khiển bởi sự biến dạng cấu trúc bắt đầu trên bề mặt của màng,” Xu nói.

Nói cách khác, sự không ổn định trên bề mặt có hiệu ứng gợn chạy khắp vật liệu – điều này không thể xảy ra khi thể tích của vật liệu cao hơn. Đó là thứ ngăn cản các vật liệu phản sắt điện trở thành sắt điện ở quy mô lớn hơn.

“Tôi không muốn suy đoán quá nhiều về các ứng dụng tiềm năng, nhưng công việc của chúng tôi cung cấp những hiểu biết sâu sắc về cách chúng tôi có thể kiểm soát các thuộc tính của vật liệu bằng cách tận dụng các hiệu ứng kích thước,” Xu nói. “Chúng tôi đã chứng minh các hiệu ứng kích thước đáng kể trong NaNbO3 và các kỹ thuật mà chúng tôi đã sử dụng để khám phá những hiệu ứng đó có thể được sử dụng để khám phá các câu hỏi tương tự đối với nhiều loại vật liệu khác.”

Bài báo, “Tính sắt điện cảm ứng theo kích thước trong màng oxit phản sắt điện,” được xuất bản truy cập mở trên tạp chí Advanced Materials. Bài báo được đồng tác giả bởi Yin Liu, trợ lý giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật tại NC State; Kevin Crust, Varun Harbola, Woo Jin Kim, Aarushi Khandelwal, Harold Hwang, Melody Wang và X. Wendy Gu của Đại học Stanford; Rémi Arras của Đại học Toulouse; Kinnary Patel, Sergey Prosandeev và Laurent Bellaiche của Đại học Arkansas; Hui Cao và Hua Zhou của Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne; Yu-Tsun Shao và David Muller của Đại học Cornell; Piush Behera, Megha Acharya và Lane Martin của Đại học California, Berkeley; Lucas Caretta của Đại học Brown; Edward Barnard và Archana Raja của Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley; và Ramamoorthy Ramesh của Đại học Rice. Ruijuan Xu, Kevin Crust và Varun Harbola đã đóng góp như nhau cho công việc này.

Công việc được thực hiện với sự hỗ trợ của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ theo số tài trợ DE-AC02-76SF00515; Văn phòng Nghiên cứu Quân đội Hoa Kỳ thuộc MURI ETHOS, thông qua thỏa thuận hợp tác W911NF-21-2-0162; và Văn phòng Nghiên cứu Khoa học Vật liệu lai MURI của Lực lượng Không quân Hoa Kỳ, theo giải thưởng số. FA9550-18-1-0480.

####

Để biết thêm thông tin, xin vui lòng bấm vào tại đây

Liên hệ:
Phương tiện truyền thông Liên hệ

Matt Shipman
Trường Đại Học bang Bắc Carolina
Liên hệ với chuyên gia

Thụy Quan Từ
Đại học bang NC

Nếu bạn có một bình luận, xin vui lòng Liên hệ chúng tôi.

Các tổ chức phát hành tin tức, không phải 7th Wave, Inc. hay Nanotech Now, chỉ chịu trách nhiệm về tính chính xác của nội dung.

Bookmark: