Wave-achtige domeinwanden aandrijfpolarisatie schakelen bij schuifferro-elektrische

Glijdende ferro-elektrica zijn een type tweedimensionaal (2D) materiaal gerealiseerd door het stapelen van niet-polaire monolagen (atoomdikke lagen die een elektrische dipool missen). Wanneer deze individuele lagen worden gestapeld, produceren ze ferro -elektrische materialen met een intrinsieke polarisatie (dwz, waarin positieve en negatieve ladingen spontaan worden gescheiden), die kunnen worden geschakeld met behulp van een extern elektrisch veld dat loodrecht op hen staat.

Inzicht in de mechanismen die het omschakelen van deze polarisatie bij het glijden van ferro -elektrica stimuleren, is een belangrijk doel geweest van veel studies die zijn geworteld in de natuurkunde en materiaalwetenschap. Dit zou uiteindelijk de ontwikkeling kunnen informeren van nieuwe geavanceerde nanoschaal elektronica en kwantumtechnologieën.

Onderzoekers van de Westlake University en de University of Electronic Science and Technology of China hebben onlangs een nieuw mechanisme ontdekt dat de omschakeling van polarisatie bij het glijden van ferro -elektrica zou kunnen stimuleren. Hun papier, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven ((PRL), suggereert dat polarisatie-omschakeling in de materialen wordt ingegeven door golfachtige bewegingen van domeinwanden (dwz grenzen tussen gebieden met een tegengestelde polarisatie), in plaats van door gesynchroniseerde verschuivingen die de hele monolagen onmiddellijk beïnvloeden, zoals werd aangenomen door sommige eerdere werken.

“In de afgelopen jaren hebben glijdende ferro-elektriciteit aanzienlijk aandacht besteed aan hun potentieel om de familie van van der Waals-ferro-elektrische materialen in laagdimensionale systemen uit te breiden,” vertelde Shi Liu, senior auteur van de krant, vertelde PRL. “Het kernidee is om polarisatie buiten het vlak te ontwikkelen in tweedimensionale structuren door niet-polaire monolagen te stapelen met zorgvuldig afgestemde tussenlagenverschuivingen. Dit concept opent opwindende mogelijkheden voor nieuwe functionaliteiten in nanoschaalapparaten.”

Het hoofddoel van deze recente studie van Liu en zijn collega’s was om een fundamentele onderzoeksvraag te beantwoorden die nog niet volledig was aangepakt in eerder onderzoek. In het bijzonder wilden ze licht werpen op hoe een elektrisch veld buiten het vlak de polarisatie kan veranderen in schuifferro-elektrica.

“Thermodynamisch gezien lijkt het antwoord eenvoudig-een veld buiten het vlak zou de polarisatie buiten het vlak moeten omkeren,” zei Liu. “De situatie is echter subtieler in het glijden van ferro-elektrische, omdat de polarisatie afkomstig is van atomaire verplaatsingen in het vlak tussen lagen. Dit leidde ons naar een conceptuele puzzel: hoe kan een elektrisch veld loodrecht op de lagen worden toegepast op de lagen laterale atoombeweging induceren?”

Toen ze eerdere artikelen beoordeelden, realiseerden Liu en zijn collega’s zich dat velen van hen er alleen van uitging dat een elektrisch veld buiten het vlak in het vlak zou kunnen leiden tot verschuivingen in het vlak of dat een hele monolaag in het glijden van ferro-elektrica meteen kon bewegen. Toch vonden ze dat dit zeer onwaarschijnlijk was, vooral in macroscopische monsters, waar de collectieve beweging van een hele monolaag waarschijnlijk niet zal plaatsvinden.

“Onze studie was bedoeld om deze inconsistentie op te lossen door de microscopische mechanismen te onderzoeken die polarisatie -omschakeling bij het schuiven van ferro -elektrica mogelijk maken, en om de rol van het elektrische veld te verduidelijken bij het faciliteren van dergelijke atomaire herschikkingen,” legde Liu uit.

“Om het schakelmechanisme achter polarisatie buiten het vlak te onderzoeken in 2D-schuifferro-elektrische simulaties, hebben we Molecular Dynamics (MD) gebruikt, een krachtig computertool waarmee we kunnen simuleren hoe atomen beweegt en in de loop van de tijd en over relatief grote lengteschalen.”

Als onderdeel van hun recente studie ontwikkelden Liu en zijn collega’s voor het eerst een type diep neuraal netwerkgebaseerd model dat bekend staat als het Deep Potential (DP) -model. Dit computermodel werd getraind op gegevens afgeleid van kwantummechanische berekeningen geworteld in dichtheid functionele theorie (DFT).

“Het DP -model fungeert als een zeer nauwkeurig klassiek krachtveld, dat in staat is om de complexe atomaire interacties vast te leggen die essentieel zijn voor realistische MD -simulaties,” zei Liu. “We hebben ook atomair-omgevingsafhankelijke geboren effectieve ladingen (BECS) opgenomen in onze simulaties. BEC’s zijn tensoren die in het veld geïnduceerde atoomkrachten relateren aan externe elektrische velden, cruciaal voor het simuleren van hoe de structuur dynamisch reageert op elektrische stimuli.”

Uiteindelijk gebruikten de onderzoekers met succes hun methoden om het schakelen van elektrisch veldgestuurde polarisatie te simuleren bij het schuiven van ferro-elektriciteiten die een dynamisch ladingsoverdrachtsproces op de atomaire schaal en met hoge betrouwbaarheid met zich meebrengen. Hierdoor konden ze nieuwe inzichten verzamelen die het begrip van deze klasse materialen zouden kunnen verbeteren.

“Ten eerste laten we zien dat een elektrisch veld buiten het vlak alleen de polarisatie van een enkel domein bij het schuiven van ferro-elektrica niet kan omkeren,” zei Liu. “In plaats daarvan treedt polarisatie-omschakeling plaats via symmetrie-brekende domeinwanden (DWS), mogelijk gemaakt door de tensorale aard van geboren effectieve ladingen. Ten tweede identificeren we een nieuw type domeinwanddynamiek dat een afwijkende temperatuurafhankelijkheid vertoont.”

De simulaties van de onderzoekers suggereren ook dat de snelheid van de beweging van domeinwanden toeneemt naarmate de temperatuur afneemt, wat het tegenovergestelde is van wat meestal gebeurt in conventionele ferro -elektrische. Liu en zijn collega’s noemden dit fenomeen ‘superlubric domeinwandbeweging’, een analogie op een toestand die bekend staat als superlubriciteit die voorkomt in wrijvingsloze mechanische systemen.

Deze recente paper zou nieuw onderzoek kunnen informeren over het glijden van ferro -elektrica en hun onderliggende fysica. In de toekomst kan het ook bijdragen aan de ontwikkeling van verschillende technologieën op basis van deze 2D -materialen, waaronder apparaten op nanoschaal in cryogene omgevingen.

“Als onderdeel van onze toekomstige studies zijn we van plan om relativistisch-achtige kinematica van domeinwanden bij lage temperaturen te verkennen, met een bijzondere interesse om te begrijpen hoe kwantumeffecten de structurele dynamiek beïnvloeden bij het glijden van ferro-elektrica onder cryogene omstandigheden,” voegde Liu toe. “Dit kan nieuwe fysieke regimes en schakelgedrag onthullen die niet toegankelijk zijn bij hogere temperaturen.”