2022-06-08

Многоуровневое переключение поляризации в тонких сегнетоэлектрических пленках

Сегнетоэлектрические материалы нашли широкое применение в повседневных технологиях в основном благодаря их электрической поляризации, которая может переключаться между двумя различными состояниями. Преодоление бинарного предела сегнетоэлектриков для достижения любого произвольного значения поляризации было давней проблемой, но потенциально может значительно расширить сферу применения сегнетоэлектриков, например, в направлении нейроморфных вычислений.

Формирование наноразмерных 180-градусных доменов в тонких напряженных пленках PZT MPB . эволюция сигнала ISHG во время продолжающегося роста PZT MPB на SRO-буферном NSO (красные символы) и при остановленном росте (черные символы). На вставках показаны преобладающие конфигурации доменов во время и после роста. b Карта обратного пространства (вне плоскости Q⊥ по сравнению с плоскостью Q||) вокруг NSO 420 и PZT MPB 103. Пленка PZT MPB полностью растянута с извлеченной тетрагональностью c/a 1,04. Пунктирные вертикальные линии показывают положение основного пика и вспомогательного пика. c Сечение при фиксированном Q⊥ поперек распределения интенсивности вокруг PZT MPB103 отражение. d Изображение HAADF-STEM с наложенной картой сегнетоэлектрических диполей, просматриваемой вдоль оси зоны [010]. Желтые стрелки показывают наличие противоположно поляризованных 180° доменов, ограниченных пунктирными белыми линиями. Белые стрелки представляют чистую поляризацию каждого нанодомена. Масштабная линейка, 4 нм. Предоставлено: Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-30823-5

Современная электроника — это цифровой мир, где информация генерируется, хранится и обрабатывается в виде нулей и единиц. Таким образом, для выполнения своих функций многие электронные компоненты полагаются на материалы, которые по своей природе являются бинарными. В магнитных жестких дисках, например, информация закодирована в остаточной намагниченности ферромагнетика, которая определяется хорошо известным магнитным гистерезисом и может принимать ровно два различных значения. Магнитные домены на жестком диске (т. е. области с однородной намагниченностью) образуют биты памяти.

Хотя бинарная электроника, несомненно, привела к бесчисленным достижениям, она приближается к своим фундаментальным ограничениям, связанным с размерами. Кроме того, этот бинарный подход оказался непрактичным для имитации аналоговых биологических систем, таких как синаптическая передача в мозгу, которые открывают большие перспективы в качестве основы для высокоэффективной нейроморфной электроники следующего поколения.

Сосредоточившись на сегнетоэлектриках — материалах с переключаемой спонтанной электрической поляризацией — исследователи из Лаборатории многофункциональных ферроидных материалов и Центра электронной микроскопии EMPA успешно реализовали способность устанавливать любое произвольное значение поляризации при остаточной намагниченности. Они достигли этого в тонких пленках цирконата-титаната свинца (PbZr x Ti 1-x O 3 , сокращенно PZT) — технологически наиболее подходящего сегнетоэлектрического материала, который нашел широкое применение, например, в датчиках давления или ультразвуковых устройствах благодаря своим пьезоэлектрическим свойствам.

Чтобы обеспечить постоянное переключение поляризации, команда объединила два аспекта в своем подходе к проектированию. Во-первых, они сосредоточились на химическом составе PZT, который близок к фазовой нестабильности, когда даже небольшие электрические поля могут вызывать очень сильные отклики материалов, такие как механическая деформация. Во-вторых, они решили приготовить эпитаксиальные пленки толщиной всего в несколько нанометров, где напряжение, вызванное нижележащей монокристаллической подложкой, действует как ручка для управления архитектурой сегнетоэлектрических доменов.

Основываясь на этой стратегии, исследователи подготовили пленки, используя систему импульсного лазерного осаждения атомарной точности, оснащенную современными инструментами мониторинга на месте, и им удалось получить доменную конфигурацию в пленках PZT, состоящую из случайно расположенных наноскопических (≈10 нм) домены. Удивительно, но они обнаружили, что приложение электрического поля позволяет обращать поляризацию в каждом домене без изменения нанометрического размера домена. Поскольку домены демонстрируют широкое распределение барьеров переключения, кроме того, можно было переключать только часть доменов с одним значением приложенного напряжения. Таким образом, путем усреднения по нескольким доменам они смогли стабилизировать любое значение поляризации при остаточной намагниченности между деполяризованным и полностью насыщенным состояниями.

Чтобы продемонстрировать технологическую актуальность непрерывного контроля поляризации в наномасштабе, исследователи провели два экспериментальных эксперимента. В своем первом приложении они показали, что путем пространственного управления общей поляризацией можно настроить эффективность удвоения оптической частоты — генерации второй гармоники — свойство, которое играет большую роль в фотонных приложениях. Во-вторых, они продемонстрировали квазинепрерывную перестраиваемость туннельного тока, протекающего через пленку ЦТС, в зависимости от общей поляризации. Помимо неразрушающего считывания поляризации, это манипулирование потоком тока открывает захватывающие возможности для изготовления искусственных синапсов.

Их исследование опубликовано в Nature Communications.



PhysReal • Физическая реальность

Администрация не несет ответственности за достоверность информации, опубликованной в рекламных объявлениях. Материалы, опубликованные в блогах, отражают позиции их авторов, которые могут не совпадать с мнением редакции. Использование публикаций сайта разрешается при наличии прямой ссылки на PhysReal.
Контактный E-mail:

Telegram: https://t.me/physreal
ВКонтакте: https://vk.com/physreal
RSS (XML): Новости физики

Copyright © 2024 Development by Programilla.com