即时发布
反铁电材料的电学性能使其在高密度储能应用中具有优势。研究人员现在发现了一个尺寸阈值，超过这个阈值，反铁电体就会失去这些特性，变成铁电体。
“电子设备变得越来越小，这使得我们了解一种材料的性质在小范围内如何变化变得越来越重要，”一篇相关论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程助理教授徐瑞娟说。“在这种情况下，我们了解到当反铁电薄膜变得太薄时，这些材料会经历相变并变成铁电。这使得它们在能量存储方面不那么有用，但却为内存存储创造了一些新的应用可能性。”
本课题主要研究反铁电材料。这些材料具有晶体结构，这意味着它们由规则重复的单元组成。晶体结构中的每个重复单元都有一个“偶极子”——一个正电荷与一个负电荷配对。反铁电材料的特殊之处在于，这些偶极子在整个结构中从一个单元交替到另一个单元。换句话说，如果一个单元的“顶部”带正电荷，“底部”带负电荷，那么下一个单元的“底部”带正电荷，“顶部”带负电荷。这种规则的偶极间距也意味着，在宏观尺度上，反铁电材料没有正极化或负极化。
铁电材料也有晶体结构。但在铁电体中，重复单元中的偶极子都指向同一个方向。更重要的是，你可以通过施加电场来逆转铁电材料中偶极子的极化。
为了探索反铁电材料的性质如何在小范围内发生变化，研究人员将注意力集中在无铅铌酸钠(NaNbO)上3.)膜。
反铁电薄膜生长在衬底上。以前评估反铁电薄膜的潜在尺寸相关效应的尝试都是在薄膜仍然附着在衬底层时进行的。这带来了重大的挑战，因为在薄膜与衬底强连接的地方存在“应变”，并且很难评估哪些影响与薄膜的尺寸有关，以及与衬底有关的应变引起了哪些影响。
“为了解决这一挑战，我们在反铁电薄膜和衬底之间引入了牺牲缓冲层，”Xu说。“一旦我们将薄膜生长到所需的厚度，我们就有选择地蚀刻牺牲层。这使我们能够将薄膜从基材上分离出来。最终，这使我们能够确定薄膜的任何变化是如何受到其尺寸的影响的，因为我们知道衬底不会造成任何变化。”
然后，研究人员使用各种实验和理论方法来评估这些厚度从9纳米(nm)到164纳米的无应变样品。
“结果出乎意料，”徐说。
“我们知道，在原子尺度上，反铁电材料——比如无铅NaNbO3膜——在整个材料中具有交替偶极子。我们发现，当NaNbO3.薄膜薄于40纳米时，就完全变成铁电的了。从40纳米到164纳米，我们发现材料有一些区域是铁电的，而其他区域是反铁电的。”
利用他们的实验数据，研究人员推断在NaNbO中至少会有一些铁电区域3.在270纳米以下的任何厚度。
Xu说:“我们发现的一件令人兴奋的事情是，当薄膜处于同时存在铁电和反铁电区域的范围内时，我们可以通过施加电场使反铁电区域变成铁电。”“这种变化是不可逆的。换句话说，我们可以在高达164纳米的厚度上使薄膜完全铁电性。”
研究人员还得出了一些关于是什么推动了反铁电材料的这些变化的结论。
Xu说:“根据第一性原理，我们能够得出结论，我们在异常薄的反铁电材料中看到的相变是由膜表面开始的结构扭曲驱动的。”
换句话说，表面的不稳定性会产生贯穿整个材料的涟漪效应——当材料体积较大时，这是不可能的。这就是阻止反铁电材料在更大范围内变成铁电的原因。
Xu说:“我不想对潜在的应用进行过多的推测，但我们的工作为我们如何利用尺寸效应来控制材料的特性提供了重要的见解。”“我们已经在NaNbO中证明了显著的尺寸效应3.我们用来发现这些效应的技术可以用来探索一系列其他材料的类似问题。”
这张纸。”反铁电氧化膜中的尺寸诱导铁电的文章发表在该杂志上先进材料．该论文由北卡罗来纳州立大学材料科学与工程助理教授Yin Liu共同撰写;斯坦福大学的Kevin Crust, Varun Harbola, Woo Jin Kim, Aarushi Khandelwal, Harold Hwang, Melody Wang和X. Wendy Gu;Rémi阿拉斯的Université德图卢兹;阿肯色大学的Kinnary Patel, Sergey Prosandeev和Laurent Bellaiche;美国阿贡国家实验室曹辉周华;康奈尔大学的Shao Yu-Tsun和David Muller;加州大学伯克利分校的Piush Behera, Megha Acharya和Lane Martin;布朗大学的Lucas Caretta;劳伦斯伯克利国家实验室的Edward Barnard和Archana Raja; and Ramamoorthy Ramesh of Rice University. Ruijuan Xu, Kevin Crust, and Varun Harbola contributed equally to this work.
这项工作得到了美国能源部的支持，资助号为DE-AC02-76SF00515;MURI ETHOS下的美国陆军研究办公室，通过合作协议W911NF-21-2-0162;和美国空军混合材料科学研究办公室MURI，根据授予编号。fa9550 - 18 - 1 - 0480。
希普曼-
编者须知:研究摘要如下。
反铁电氧化膜中的尺寸诱导铁电
作者:徐瑞娟，北卡罗莱纳州立大学，斯坦福大学;斯坦福大学Kevin Crust, Varun Harbola, Woo Jin Kim, Aarushi Khandelwal, Harold Hwang, Melody Wang和X. Wendy Gu;Rémi阿拉斯，Université德图卢兹;Kinnary Patel, Sergey Prosandeev和Laurent Bellaiche，阿肯色大学;曹辉，周华，美国阿贡国家实验室;康奈尔大学的Yu-Tsun Shao和David Muller;加州大学伯克利分校的Piush Behera, Megha Acharya和Lane Martin;布朗大学Lucas Caretta;北卡罗莱纳州立大学刘胤;劳伦斯伯克利国家实验室的Edward Barnard和Archana Raja; Ramamoorthy Ramesh, Rice University.
发表: 2月4日先进材料
DOI: 10.1002 / adma.202210562
文摘:尽管对铁电体的尺寸效应进行了广泛的研究，但减维反铁电体的结构和性质是如何演变的仍然是难以捉摸的。鉴于反铁电体在高能量密度存储应用中的巨大潜力，了解它们的尺寸效应将为优化小尺度器件性能提供关键信息。在这里，我们研究了无铅NaNbO中反铁电性的基本内在尺寸依赖性3.膜。通过广泛的实验和理论方法，我们探索了减小膜厚度时反铁电到铁电的有趣转变。这种尺寸效应导致在40 nm以下形成铁电单相，在40 nm以上形成铁电序和反铁电序并存的混合相。此外，我们还证明了反铁电序和铁电序是电可切换的。第一性原理计算进一步揭示了观察到的转变是由膜表面引起的结构畸变驱动的。我们的工作为反铁电体中固有尺寸驱动的结垢提供了直接的实验证据，并证明了利用尺寸效应在膜平台上驱动环境友好的无铅氧化物的突发性性能的巨大潜力。
- 类别:
