A fizikusok feltárják a nulldimenziós ferroelektromosság „3D-s örvényét”

A Koreai Tudományos és Technológiai Intézet kutatói több intézménnyel együttműködve kísérletileg megerősítették a 3D örvény alakú polarizációs eloszlást a fotovoltaikus nanorészecskék belsejében. Atomelektrontomográfia segítségével feltérképezték a bárium-titanát nanorészecskék atomi helyzetét, és kiszámították a belső polarizációs eloszlást. Ez a felfedezés megerősíti a 20 évvel ezelőtti elméleti előrejelzéseket, és magában rejti az ultrasűrű memóriaeszközök fejlesztésének lehetőségét.

a kaistAz általa vezetett kutatócsoport sikeresen demonstrálta a ferroelektromos nanorészecskék háromdimenziós belső polarizációs eloszlását, megnyitva ezzel az utat a fejlett memóriaeszközök előtt, amelyek a jelenlegi technológiáknál 10 000-szer több adat tárolására képesek.

Azokat az anyagokat, amelyek egymástól függetlenül mágnesezve maradnak, külső mágneses tér nélkül, ferromágneseknek nevezik. Hasonlóképpen, a ferroelektromosság önmagában is képes fenntartani a polarizációs állapotot, külső elektromos tér nélkül, és a ferromágnesek elektromos megfelelőjeként működik.

Ismeretes, hogy a ferromágnesek elveszítik mágneses tulajdonságaikat, ha egy bizonyos küszöbérték alá nanoméretűre redukálják őket. Az, hogy mi történik, ha a ferroelektromos anyagokat nagyon kis térfogatban, minden irányban egyformán készítik el (tehát olyan dimenzió nélküli szerkezetben, mint a nanorészecskék), régóta vita tárgyát képezi.

A KAUST Fizikai Tanszékének munkatársa, Dr. Youngsu Yang által vezetett kutatócsoport első ízben tisztázta a ferroelektromos nanorészecskék belsejében a 3D örvény alakú polarizációs eloszlást a POSTECH, az SNU, a KBSI és az LBNL nemzetközi együttműködésén keresztül. És az Arkansas Egyetem.

Körülbelül 20 évvel ezelőtt Laurent Belich professzor (jelenleg az Arkansas Egyetemen) és munkatársai elméletileg megjósolták, hogy a polarizációs eloszlás egyedülálló formája, amely toroidális örvény formájában rendeződik, előfordulhat a ferroelektromos nanopontokon belül. Azt is javasolták, hogy ha ez az örvényeloszlás megfelelően szabályozható lenne, akkor alkalmazható lenne olyan nagy sűrűségű memóriaeszközökre, amelyek kapacitása 10 000-szer nagyobb, mint a meglévő eszközök. Kísérleti tisztázást azonban nem sikerült elérni a ferroelektromos nanostruktúrákon belüli 3D polarizációs eloszlás mérésének nehézségei miatt.

Fejlett technikák az elektrontomográfiában

A KAIST kutatócsoportja ezt a 20 éves kihívást az atomelektron-tomográfiának nevezett technika alkalmazásával oldotta meg. Ez a technológia úgy működik, hogy atomi felbontású transzmissziós elektronmikroszkópos képeket készít nanoanyagokról több dőlésszögből, majd azokat fejlett rekonstrukciós algoritmusok segítségével 3D-s szerkezetekké rekonstruálja. Az elektrontomográfia felfogható úgy, mint a kórházakban alkalmazott CT-vizsgálatoknál alkalmazott, a belső szervek három dimenziós vizsgálatára használt módszer; A KAIST csapata egyedileg adaptálta nanoanyagokhoz, egyetlen mintán elektronmikroszkóppal.kukorica szint.

A BaTiO3 nanorészecskék háromdimenziós polarizációs eloszlása ​​atomi elektrontomográfiával. (Balra) Az elektrontomográfiás technika vázlata, amely magában foglalja a transzmissziós elektronmikroszkóp képeinek beszerzését több dőlésszögben, és 3D-s atomi struktúrákká való rekonstrukcióját. (Közép) A 3D polarizációs eloszlást kísérletileg határoztuk meg egy BaTiO3 nanorészecskén belül atomi elektrontomográfiával. Az alja közelében jól látható egy örvényszerű szerkezet (kék pont). (Jobb) A polarizációs eloszlás 2D-s keresztmetszete, az örvény közepén vékonyra szeletelve, és a szín és a nyilak együtt jelzik a polarizáció irányát. Különleges örvényszerkezet figyelhető meg.

Atomi elektrontomográfia segítségével a csapat megmérte a bárium-titanát (BaTiO3) nanorészecskékben, egy ferroelektromos anyagban lévő teljes kationatomok helyzetét három dimenzióban. Pontosan meghatározott 3D-s atomi elrendezésekkel tovább tudták számítani a 3D belső polarizációs eloszlást egyatomos szinten. A polarizációs eloszlás elemzése először tárta fel kísérletileg, hogy topológiai polarizációs elrendezések, beleértve az örvényeket, az antivortexeket, a skyrmionokat és a Bloch-pontot, a nulldimenziós ferroelektromos elemek belsejében fordulnak elő, amint azt 20 évvel ezelőtt elméletileg megjósolták. Ezenkívül azt is megállapították, hogy a belső örvények száma a méretükkel szabályozható.

Szergej Bruszandev professzor és Belich professzor (aki más kollégáival együtt elméletileg 20 évvel ezelőtt javasolta a poláris örvényelrendezést) csatlakozott ehhez az együttműködéshez, és bebizonyította, hogy a kísérletek során kapott örvényeloszlási eredmények megegyeznek az elméleti számításokkal.
Ezeknek a polarizációs eloszlásoknak a számának és irányának szabályozásával ez várhatóan hasznosítható lesz a következő generációs, nagy sűrűségű memóriaeszközökben, amelyek a meglévő eszközökhöz képest több mint 10 000-szeres mennyiségű információt tárolhatnak magában az eszközben.

Dr. Yang, aki a kutatást vezette, kifejtette az eredmények jelentőségét, mondván: „Ez az eredmény azt jelzi, hogy a ferroelektromos anyagok méretének és alakjának szabályozása önmagában, anélkül, hogy szükség lenne a szubsztrátum hangolására vagy a környező környezeti hatásokra, például az epitaxiális feszültségre, manipulálható. ferroelektromos örvények vagy más nagy léptékű topológiai elrendezések.” A nanotechnológia ezután további kutatásokat alkalmazhat az ultrasűrű memória következő generációjának fejlesztésére.

Hivatkozás: Chihwa Jeong, Joo Hyuk Lee, Hyesung Jo, Jayohan Oh, Hyunsuk Baek, Kyung Joon Jo, Junwoo Son, Se Young Choi, Sergey Brusandev, Laurent Belich és Youngsoo „A poláris topológia háromdimenziós rendjének feltárása nanorészecskékben” Yang, 2024. május 8. Nature Communications.
doi: 10.1038/s41467-024-48082-x

Ezt a tanulmányt főként a Koreai Nemzeti Kutatási Alapítvány (NRF) támogatásával támogatták, amelyet a koreai kormány (MSIT) finanszírozott.