Faça-os finos o suficiente e os materiais antiferroelétricos

“Os dispositivos eletrônicos estão ficando cada vez menores, o que torna cada vez mais importante para nós entender como as propriedades de um material podem mudar em pequenas escalas”, diz Ruijuan Xu, autor correspondente de um artigo sobre o trabalho e professor assistente de ciência e engenharia de materiais. na Universidade Estadual da Carolina do Norte. “Neste caso, aprendemos que quando filmes finos antiferroelétricos ficam muito finos, esses materiais passam por uma transição de fase e se tornam ferroelétricos. Isso os torna menos úteis para armazenamento de energia, mas cria algumas novas possibilidades de aplicação para armazenamento de memória.”

Esta pesquisa se concentrou em materiais antiferroelétricos. Esses materiais têm uma estrutura cristalina, o que significa que consistem em unidades que se repetem regularmente. Cada unidade repetida na estrutura cristalina tem um “dipolo” – uma carga positiva emparelhada com uma carga negativa. O que torna os materiais antiferroelétricos especiais é que esses dipolos se alternam de unidade para unidade em toda a estrutura. Em outras palavras, se uma unidade tiver uma carga positiva no “topo” e uma carga negativa no “fundo”, a próxima unidade terá a carga positiva no “fundo” e a carga negativa no “topo”. Esse espaçamento regular dos dipolos também significa que, em macroescala, os materiais antiferroelétricos não possuem polarização positiva ou negativa.

Os materiais ferroelétricos também têm uma estrutura cristalina. Mas em ferroelétricos, os dipolos nas unidades de repetição apontam todos para o mesmo. Além do mais, você pode inverter a polarização dos dipolos em materiais ferroelétricos aplicando um campo elétrico.

Para explorar como as propriedades de um material antiferroelétrico podem mudar em pequenas escalas, os pesquisadores se concentraram no niobato de sódio sem chumbo (NaNbO₃) membranas.

Filmes finos antiferroelétricos são cultivados em um substrato. Tentativas anteriores para avaliar os efeitos potenciais relacionados ao tamanho em filmes finos antiferroelétricos observaram os filmes finos enquanto os filmes ainda estão ligados à camada de substrato. Isso representa desafios significativos, porque há “tensões” onde o filme fino está fortemente conectado ao substrato – e é difícil avaliar quais efeitos estão relacionados ao tamanho do filme fino e quais efeitos são causados ​​pelas tensões relacionadas ao substrato .

“Para enfrentar esse desafio, introduzimos uma camada tampão sacrificial entre o filme fino antiferroelétrico e o substrato”, diz Xu. “Depois de aumentarmos o filme fino até a espessura desejada, gravamos seletivamente a camada de sacrifício. Isso nos permitiu separar o filme fino do substrato. Em última análise, isso nos permitiu determinar como quaisquer alterações no filme fino são afetadas por sua tamanho, porque sabíamos que o substrato não estava contribuindo para nenhuma alteração.”

Os pesquisadores então usaram uma variedade de abordagens experimentais e teóricas para avaliar essas amostras livres de tensão em espessuras que variam de 9 nanômetros (nm) a 164 nm.

“Os resultados foram bastante inesperados”, diz Xu.

“Sabemos que em escala atômica, materiais antiferroelétricos – como membranas de NaNbO3 sem chumbo – têm dipolos alternados em todo o material. Descobrimos que quando o NaNbO₃ as membranas eram mais finas que 40 nm, elas se tornam completamente ferroelétricas. E de 40 nm a 164 nm, descobrimos que o material tinha algumas regiões que eram ferroelétricas, enquanto outras regiões eram antiferroelétricas”.

Usando seus dados experimentais, os pesquisadores extrapolaram que haveria pelo menos algumas regiões ferroelétricas no NaNbO₃ em qualquer espessura abaixo de 270 nm.

“Uma das coisas interessantes que descobrimos foi que, quando os filmes finos estavam na faixa em que havia regiões ferroelétricas e antiferroelétricas, poderíamos tornar as regiões antiferroelétricas ferroelétricas aplicando um campo elétrico”, diz Xu. “E essa mudança não era reversível. Em outras palavras, poderíamos tornar o filme fino completamente ferroelétrico em espessuras de até 164 nm.”

Os pesquisadores também conseguiram tirar algumas conclusões sobre o que está causando essas mudanças no material antiferroelétrico.

“Com base nos primeiros princípios, pudemos concluir que as mudanças de fase que vemos em materiais antiferroelétricos excepcionalmente finos são impulsionadas pela distorção estrutural que começa na superfície da membrana”, diz Xu.

Em outras palavras, as instabilidades na superfície têm um efeito cascata que percorre todo o material – o que não é possível quando o volume do material é maior. É isso que impede que os materiais antiferroelétricos se tornem ferroelétricos em escalas maiores.

“Não quero especular muito sobre possíveis aplicações, mas nosso trabalho oferece insights significativos sobre como podemos controlar as propriedades de um material aproveitando os efeitos de tamanho”, diz Xu. “Demonstramos efeitos de tamanho significativos em NaNbO₃e as técnicas que usamos para descobrir esses efeitos podem ser usadas para explorar questões semelhantes para uma variedade de outros materiais.”

O artigo, “Ferroeletricidade induzida por tamanho em membranas de óxido antiferroelétrico”, foi publicado em acesso aberto na revista Materiais avançados. O artigo foi co-escrito por Yin Liu, professor assistente de ciência e engenharia de materiais na NC State; Kevin Crust, Varun Harbola, Woo Jin Kim, Aarushi Khandelwal, Harold Hwang, Melody Wang e X. Wendy Gu da Universidade de Stanford; Rémi Arras da Université de Toulouse; Kinnary Patel, Sergey Prosandeev e Laurent Bellaiche da Universidade de Arkansas; Hui Cao e Hua Zhou do Argonne National Laboratory; Yu-Tsun Shao e David Muller da Cornell University; Piush Behera, Megha Acharya e Lane Martin da Universidade da Califórnia, Berkeley; Lucas Caretta da Brown University; Edward Barnard e Archana Raja do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley; e Ramamoorthy Ramesh da Rice University. Ruijuan Xu, Kevin Crust e Varun Harbola contribuíram igualmente para este trabalho.

O trabalho foi realizado com o apoio do Departamento de Energia dos EUA sob o número de concessão DE-AC02-76SF00515; o Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA sob o MURI ETHOS, por meio do acordo cooperativo W911NF-21-2-0162; e o Escritório de Materiais Híbridos de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA MURI, sob o prêmio no. FA9550-18-1-0480.