Een twintig jaar oude puzzel opgelost: onderzoekers onthullen de ‘driedimensionale draaikolk’ van nuldimensionale ferro-elektrische materialen

Materialen die zelf een gemagnetiseerde toestand kunnen behouden zonder een extern magnetisch veld (dwz permanente magneten) worden ferromagneten genoemd. Ferro-elektriciteit kan worden gezien als de elektrische tegenhanger van ferromagneten, omdat ze een gepolariseerde toestand behouden zonder een extern elektrisch veld.

Het is bekend dat ferromagneten hun magnetische eigenschappen verliezen wanneer ze worden verkleind tot nanogroottes onder een bepaalde drempel. Wat er gebeurt als ferro-elektrische materialen op dezelfde manier extreem klein worden gemaakt in alle richtingen (dwz in een nuldimensionale structuur zoals nanodeeltjes) is al lange tijd een onderwerp van controverse.

Een onderzoeksteam onder leiding van Dr. Yongsoo Yang van de afdeling Natuurkunde van KAIST heeft voor het eerst experimenteel de driedimensionale, vortexvormige polarisatieverdeling in ferro-elektrische nanodeeltjes opgehelderd door middel van internationaal gezamenlijk onderzoek met POSTECH, SNU, KBSI, LBNL en Universiteit van Arkansas.

Dit onderzoek is online gepubliceerd in Natuurcommunicatie in een artikel met de titel ‘Onthulling van de driedimensionale opstelling van polaire topologie in nanodeeltjes.”

Ongeveer twintig jaar geleden voorspelden prof. Laurent Bellaiche (momenteel aan de Universiteit van Arkansas) en zijn collega’s theoretisch dat een unieke vorm van polarisatieverdeling, gerangschikt in de vorm van een toroïdale vortex, zou kunnen optreden in ferro-elektrische nanodots. Ze suggereerden ook dat als deze vortexverdeling goed kon worden gecontroleerd, deze zou kunnen worden toegepast op geheugenapparaten met ultrahoge dichtheid met capaciteiten die meer dan 10.000 keer groter zijn dan bestaande.

Experimentele opheldering werd echter niet bereikt vanwege de moeilijkheid om de driedimensionale polarisatieverdeling binnen ferro-elektrische nanostructuren te meten. Nu heeft het onderzoeksteam van KAIST deze twintig jaar oude uitdaging met succes opgelost door een techniek te implementeren die atomaire elektronentomografie wordt genoemd.

Deze techniek werkt door het verkrijgen van transmissie-elektronenmicroscoopbeelden met atomaire resolutie van de nanomaterialen vanuit meerdere kantelhoeken, en deze vervolgens terug te reconstrueren in driedimensionale structuren met behulp van geavanceerde reconstructie-algoritmen.

Elektronentomografie kan worden opgevat als in wezen dezelfde methode die wordt gebruikt bij CT-scans in ziekenhuizen om inwendige organen in drie dimensies te bekijken; het KAIST-team heeft het op unieke wijze aangepast voor nanomaterialen, met behulp van een elektronenmicroscoop op het niveau van één atoom.

Met behulp van atomaire elektronentomografie heeft het team de posities van kationatomen in bariumtitanaat (BaTiO) volledig gemeten.₃) nanodeeltjes, een bekend ferro-elektrisch materiaal, in drie dimensies. Op basis van de nauwkeurig bepaalde 3D-atomaire arrangementen konden ze de interne driedimensionale polarisatieverdeling op het niveau van één atoom verder berekenen.

De analyse van de polarisatieverdeling onthulde voor het eerst experimenteel dat topologische polarisatieordeningen, waaronder wervels, anti-wervelingen, skyrmionen en een Bloch-punt, voorkomen binnen de nuldimensionale ferroelektrische elementen, zoals twintig jaar geleden theoretisch voorspeld. Bovendien werd ook gevonden dat het aantal interne wervels kan worden geregeld, afhankelijk van hun grootte.

Prof. Sergey Prosandeev en prof. Bellaiche (die twintig jaar geleden samen met andere collega’s de polaire vortex-ordening theoretisch voorstelden), sloten zich aan bij deze samenwerking en bewezen verder dat de resultaten van de vortexverdeling verkregen uit experimenten consistent zijn met theoretische berekeningen.

Door het aantal en de oriëntatie van deze polarisatieverdelingen te beheersen, wordt verwacht dat dit kan worden gebruikt in een geheugenapparaat met hoge dichtheid van de volgende generatie dat meer dan 10.000 keer de hoeveelheid informatie in hetzelfde apparaat kan opslaan in vergelijking met bestaande apparaten. .

Dr. Yang, die het onderzoek leidde, legde het belang van de resultaten uit: “Dit resultaat suggereert dat alleen het beheersen van de grootte en vorm van ferro-elektrische materialen, zonder het substraat of de omliggende omgevingseffecten zoals epitaxiale spanning te hoeven afstemmen, ferro-elektrische wervelingen kan manipuleren of andere topologische ordeningen op nanoschaal. Verder onderzoek zou dan kunnen worden toegepast op de ontwikkeling van een geheugen met ultrahoge dichtheid van de volgende generatie.