Artistieke weergave van het centrum-naar-beneden-convergente polarisatieveld. Het is het gevolg van de compressie van de polarisatieflux door de zijwanden van de nano-eilanden. De textuur in elk nano-eiland lijkt op een wervelende vloeistofvortex die in een steeds smaller wordende trechter stroomt. Krediet: Laura Canil/HZB
Ferro-elektriciteit op nanoschaal vertoont een schat aan polaire en soms wervelende (chirale) elektromagnetische texturen die niet alleen fascinerende natuurkunde vertegenwoordigen, maar ook toepassingen in de toekomstige nano-elektronica beloven. Bijvoorbeeld dataopslag met ultrahoge dichtheid of extreem energiezuinige veldeffecttransistoren. Een knelpunt was echter de stabiliteit van deze topologische texturen en hoe ze kunnen worden gecontroleerd en gestuurd door een externe elektrische of optische stimulus.
Een team onder leiding van prof. Catherine Dubourdieu (HZB en FU Berlijn) heeft dat nu gedaan gepubliceerd een papiertje erin Natuurcommunicatie dat opent nieuwe perspectieven. Samen met partners van het CEMES-CNRS in Toulouse, de Universiteit van Picardie in Amiens en het Jozef Stefan Instituut in Ljubljana hebben ze een bijzonder interessante klasse nano-eilanden op silicium grondig onderzocht en hun geschiktheid voor elektrische manipulatie onderzocht.
“We hebben BaTiO geproduceerd3 nanostructuren die kleine eilandjes vormen op een siliciumsubstraat”, legt Dubourdieu uit. De nano-eilanden zijn trapeziumvormig van vorm, met afmetingen van 30-60 nm (bovenaan), en hebben stabiele polarisatiedomeinen.
“Door de eerste stap van de passivatie van siliciumwafels te verfijnen, zouden we de kiemvorming van deze nano-eilanden kunnen induceren”, zegt Dong-Jik Kim, een wetenschapper in het team van Dubourdieu.
Deze domeinen kunnen omkeerbaar worden geschakeld door een elektrisch veld. De domeinpatronen werden bestudeerd met behulp van verticale en laterale piëzoresponskrachtmicroscopie (PFM).
“Zowel de PFM-meetgegevens als de faseveldmodellering duiden op een gecentreerde, neerwaartse convergente polarisatie, die perfect past bij de informatie van scanning transmissie-elektronenmicroscopie (STEM)”, zegt Ibukun Olaniyan, Ph.D. student.
In elke rij had het monster een andere oriëntatie. De kolommen tonen de topografie (links) en piëzoresponse force microscopie (PFM) afbeeldingen. In de laterale PFM-amplitude vertonen de nano-eilanden een patroon van donkere en lichte gebieden, wat doet denken aan koffiebonen, wat typerend is voor texturen met een polaire verdeling van het middentype. Krediet: HZB
In het bijzonder konden de wetenschappers een wervelende component rond de nano-eilandas detecteren die de chiraliteit veroorzaakt.
“De textuur lijkt op een wervelende vloeistofkolk die in een steeds smaller wordende trechter stroomt”, legt Dubourdieu uit. “De centrum naar beneden convergerende nanodomeinen kunnen omkeerbaar worden omgeschakeld naar centrum naar boven divergerende nanodomeinen door een extern elektrisch veld.”
“In dit werk hebben we aangetoond dat chirale topologische texturen kunnen worden gestabiliseerd door nanostructuren op de juiste manier vorm te geven”, zegt Dubourdieu. Het vermogen om chirale, wervelende, polaire texturen in BaTiO te creëren en elektrisch te manipuleren3 nanostructuren zijn veelbelovend voor toekomstige toepassingen.
Meer informatie:
Ibukun Olaniyan et al., Schakelbare topologische polaire toestanden in epitaxiale BaTiO3-nano-eilanden op silicium, Natuurcommunicatie (2024). DOI: 10,1038/s41467-024-54285-z
Tijdschriftinformatie:
Natuurcommunicatie
Geleverd door Helmholtz Vereniging van Duitse Onderzoekscentra
