In ferro-elektrische materialen vervormt de kristalstructuur, waardoor een spontaan gevormde polarisatie en elektrisch veld ontstaat. Door deze unieke eigenschap ferro-elektriciteit is te vinden in alles van ultrasone machines en dieselbrandstofinjectoren tot computergeheugen. Ferro-elektrische materialen liggen aan de basis van enkele van de meest geavanceerde technologie die tegenwoordig beschikbaar is. Bevindingen dat ferro-elektriciteit kan worden waargenomen in materialen die andere spontane overgangen vertonen, zoals ferromagnetisme, hebben geleid tot een nieuwe klasse van deze materialen, bekend als hybride oneigenlijke ferro-elektriciteit. De eigenschappen van dit soort materiaal, echter, zijn nog lang niet volledig begrepen. Nieuwe bevindingen gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven , helpen licht te schijnen op deze materialen en wijzen op potentieel voor nieuwe opto-elektronische en opslagtoepassingen.

Een team van onderzoekers uit China heeft één type hybride oneigenlijk ferro-elektrisch gekarakteriseerd, Ca3Mn2O7. De groep onderzocht de ferro-elektrische, magneto-elektrische en optische eigenschappen. Ze waren in staat om ferro-elektriciteit in Ca3Mn2O7 aan te tonen, evenals de koppeling tussen magnetisme en ferro-elektriciteit, een sleuteleigenschap die potentieel heeft om snellere en efficiëntere bitbewerkingen in computers mogelijk te maken.

"Ons werk lost een langetermijnpuzzel op dit gebied op, die de grenzen kunnen verleggen en het vertrouwen kunnen vergroten om het onderzoek op dit gebied voort te zetten, " zei Shuai Dong, een auteur op papier.

Zoals batterijen, bijvoorbeeld, ferro-elektriciteit heeft positief en negatief geladen polen. Een belangrijk onderscheidend kenmerk van deze materialen, echter, is dat deze polarisatie kan worden omgekeerd door een extern elektrisch veld te gebruiken.

"Dit kan handig zijn omdat het in apparaten kan worden gebruikt om informatie op te slaan als enen en nullen, " zei Dong. "Ook, het schakelen van polarisatie kan stroom genereren, die in sensoren kunnen worden gebruikt."

In tegenstelling tot traditionele ferro-elektriciteit, die hun eigenschappen rechtstreeks ontlenen aan polaire vervormingen in het rooster van het kristal van het materiaal, hybride onjuiste ferro-elektriciteit genereert polarisatie uit een combinatie van niet-polaire vervormingen.

Toen hybride oneigenlijke ferro-elektriciteit voor het eerst werd getheoretiseerd in 2011, twee materialen werden voorgesteld. In de jaren daarna, niet-magnetische Ca3Ti2O7¬ kristallen werden experimenteel aangetoond, maar een volledige karakterisering van zijn magnetische tegenhanger, Ca3Mn2O7, ongrijpbaar gebleven.

"Meerdere overgangen en fasescheidingen werden aangetoond in Ca3Mn2O7, waardoor het complexer is dan de vroege theoretische verwachtingen, "Dong zei. "Dit materiaal is complex, en de lekkage is ernstig, die de directe meting van zijn ferro-elektriciteit bij hoge temperatuur verhindert."

Om Ca3Mn2O7 beter te begrijpen, Dong en zijn medewerkers bevestigden de ferro-elektriciteit van het materiaal met behulp van pyro-elektrische metingen die de elektrische eigenschappen ervan over een reeks temperaturen onderzoeken, evenals de ferro-elektrische hysteresislussen van Ca3Mn2O7 gemeten. een methode die enige extrinsieke lekkage verzacht. Nader onderzoek toonde aan dat Ca3Mn2O7 een zwak ferromagnetisme vertoont dat kan worden gemoduleerd door een elektrisch veld.

Het bleek dat Ca3Mn2O7, een materiaal waarvan lang werd beweerd dat het ferro-elektrische en magneto-elektrische eigenschappen heeft, vertoonde ook een sterke absorptie van zichtbaar licht in een bandafstand die goed geschikt is voor foto-elektrische apparaten. Deze eigenschap van Ca3Mn2O7 zou de weg kunnen effenen voor het materiaal dat in alles kan worden gebruikt, van fotovoltaïsche cellen tot lichtsensoren met het ingebouwde elektrische veld dat leidt tot een grotere fotogegenereerde spanning dan de huidige apparaten.

"Het meest verrassende voor ons was dat niemand eerder de prominente lichtabsorptie had opgemerkt, ' zei Dong.

In de toekomst, Dong zei dat hij hoopt de foto-elektrische eigenschappen van Ca3Mn2O7 te onderzoeken en te onderzoeken of de introductie van ijzer in het kristal het magnetisme ervan zou versterken.