Maak ze dun genoeg en antiferro-elektrische materialen worden ferro-elektrisch

Antiferro-elektrische materialen hebben elektrische eigenschappen die ze voordelig maken voor gebruik in energieopslagtoepassingen met hoge dichtheid. Onderzoekers hebben nu een groottedrempel ontdekt waarboven antiferro-elektrische stoffen die eigenschappen verliezen en ferro-elektrisch worden.

“Elektronische apparaten worden steeds kleiner, waardoor het voor ons steeds belangrijker wordt om te begrijpen hoe de eigenschappen van een materiaal op kleine schaal kunnen veranderen”, zegt Ruijuan Xu, corresponderend auteur van een paper over het werk en een assistent-professor materiaalkunde en engineering aan de staatsuniversiteit van North Carolina.

“In dit geval hebben we geleerd dat wanneer antiferro-elektrische dunne films te dun worden, deze materialen een faseovergang ondergaan en ferro-elektrisch worden. Dat maakt ze minder bruikbaar voor energieopslag, maar creëert een aantal nieuwe toepassingsmogelijkheden voor geheugenopslag.”

Dit onderzoek richtte zich op antiferro-elektrische materialen. Deze materialen hebben een kristallijne structuur, wat betekent dat ze bestaan ​​uit zich regelmatig herhalende eenheden. Elke zich herhalende eenheid in de kristallijne structuur heeft een “dipool” – een positieve lading gepaard met een negatieve lading. Wat antiferro-elektrische materialen bijzonder maakt, is dat die dipolen van eenheid tot eenheid door de structuur heen afwisselen.

Met andere woorden, als een eenheid een positieve lading heeft aan de “bovenkant” en een negatieve lading aan de “onderkant”, dan heeft de volgende eenheid de positieve lading aan de “onderkant” en de negatieve lading aan de “bovenkant”. Deze regelmatige afstand van de dipolen betekent ook dat antiferro-elektrische materialen op macroschaal geen positieve of negatieve polarisatie hebben.

Ferroelektrische materialen hebben ook een kristallijne structuur. Maar in ferro-elektriciteit wijzen de dipolen in de zich herhalende eenheden allemaal dezelfde kant op. Bovendien kun je de polarisatie van de dipolen in ferroelektrische materialen omkeren door een elektrisch veld aan te leggen.

Om te onderzoeken hoe de eigenschappen van een antiferro-elektrisch materiaal op kleine schaal kunnen veranderen, concentreerden de onderzoekers zich op loodvrij natriumniobaat (NaNbO₃) membranen.

Antiferro-elektrische dunne films worden op een substraat gegroeid. Eerdere pogingen om mogelijke groottegerelateerde effecten op antiferro-elektrische dunne films te beoordelen, hebben gekeken naar de dunne films terwijl de films nog aan de substraatlaag vastzaten. Dit vormt een grote uitdaging, omdat er “spanningen” zijn waarbij de dunne film sterk is verbonden met het substraat – en het is moeilijk te beoordelen welke effecten verband houden met de grootte van de dunne film en welke effecten worden veroorzaakt door de spanningen die verband houden met het substraat.

“Om deze uitdaging aan te gaan, hebben we een opofferingsbufferlaag tussen de antiferro-elektrische dunne film en het substraat geïntroduceerd”, zegt Xu. “Toen we de dunne film eenmaal tot de gewenste dikte hadden laten groeien, hebben we de opofferingslaag selectief geëtst. Hierdoor konden we de dunne film van het substraat losmaken. Uiteindelijk stelde dit ons in staat om te bepalen hoe eventuele veranderingen in de dunne film worden beïnvloed door de grootte, omdat we wisten dat het substraat niet bijdroeg aan veranderingen.”

De onderzoekers gebruikten vervolgens een verscheidenheid aan experimentele en theoretische benaderingen om deze spanningsvrije monsters te beoordelen met een dikte variërend van 9 nanometer (nm) tot 164 nm.

“De resultaten waren vrij onverwacht”, zegt Xu.

“We weten dat op atomaire schaal antiferro-elektrische materialen zoals loodvrij NaNbO₃ membranen – hebben afwisselende dipolen door het materiaal. We ontdekten dat wanneer de NaNbO₃ membranen waren dunner dan 40 nm, ze worden volledig ferro-elektrisch. En van 40 nm tot 164 nm ontdekten we dat het materiaal sommige regio’s had die ferro-elektrisch waren, terwijl andere regio’s antiferro-elektrisch waren.”

Met behulp van hun experimentele gegevens extrapoleerden de onderzoekers dat er op zijn minst enkele ferro-elektrische regio’s in de NaNbO zouden zijn₃ bij elke dikte onder 270 nm.

“Een van de opwindende dingen die we ontdekten, was dat wanneer de dunne films zich in het bereik bevonden waar er zowel ferro-elektrische als antiferro-elektrische gebieden waren, we de antiferro-elektrische gebieden ferro-elektrisch konden maken door een elektrisch veld aan te leggen”, zegt Xu. “En deze verandering was niet omkeerbaar. Met andere woorden, we konden de dunne film volledig ferro-elektrisch maken met een dikte tot 164 nm.”

De onderzoekers konden ook enkele conclusies trekken over wat deze veranderingen in het antiferro-elektrische materiaal veroorzaakt.

“Op basis van de eerste principes konden we concluderen dat de faseveranderingen die we zien in uitzonderlijk dunne antiferro-elektrische materialen worden veroorzaakt door structurele vervorming die begint op het oppervlak van het membraan”, zegt Xu.

Met andere woorden, instabiliteiten aan het oppervlak hebben een rimpeleffect dat door het materiaal loopt – wat niet mogelijk is als het volume van het materiaal groter is. Dat is wat voorkomt dat antiferro-elektrische materialen op grotere schaal ferro-elektrisch worden.

“Ik wil niet te veel speculeren over mogelijke toepassingen, maar ons werk biedt belangrijke inzichten in hoe we de eigenschappen van een materiaal kunnen beheersen door gebruik te maken van grootte-effecten”, zegt Xu. “We hebben significante grootte-effecten aangetoond in NaNbO₃en de technieken die we hebben gebruikt om die effecten bloot te leggen, kunnen worden gebruikt om soortgelijke vragen voor een reeks andere materialen te onderzoeken.”

Het artikel, “Size-Induced Ferroelectricity in Antiferroelectric Oxide Membranes”, is open access gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen.