Stamgevoelig bariumstrontiumtitanaat (Ba _x -Sr _1-x -TiO ₃ ) perovskietsystemen worden veel gebruikt vanwege hun superieure niet-lineaire diëlektrische gedrag. In een nieuw verslag over wetenschappelijke vooruitgang, DL Ko en een onderzoeksteam in materiaalkunde en techniek, natuurkunde, elektronica en informatietechniek in Taiwan, Hong Kong en de VS hebben nieuwe heterostructuren ontwikkeld, waaronder para-elektrische Ba _0,5 sr _0,5 TiO ₃ (BSTO) en ferro-elektrische BaTiO ₃ (BTO) epitaxiaal op een flexibel muscoviet substraat. De toepassing van mechanische kracht door eenvoudig buigen regelde de diëlektrische constante (elektrische energiepotentiaal) voor BSTO variërend van -77 tot 36%, evenals de kanaalstroom van op BTO gebaseerde ferro-elektrische veldeffecttransistoren, door twee bestellingen. Ko et al. bestudeerde het gedetailleerde mechanisme door faseovergang en bandstructuurbepaling te onderzoeken om faseveldsimulaties te implementeren en theoretische ondersteuning te bieden. Het veld opent een nieuwe weg voor mechanisch regelbare componenten op basis van hoogwaardige oxide-heteroepitaxy.

De periodieke configuratie van atomen in een vaste stof is een gevolg van energieminimalisatie, waar de betrokken atomen en hun overeenkomstige rangschikking de eigenschappen van materialen kunnen bepalen. Als resultaat, materiaalwetenschappers kunnen de periodiciteit van atoomarrangementen of spanningstoepassingen dynamisch afstemmen in een fundamentele benadering om materiële functionaliteiten af ​​te stemmen. Onderzoekers hadden eerder verschillende benaderingen voorgesteld om materialen te belasten, waaronder de toepassing van hydrostatische druk om de verschuiving van diffractiepieken te observeren via röntgenanalyse als direct bewijs van roosterverandering door externe kracht. Bijvoorbeeld, externe prikkels zoals magnetische velden, elektrische velden en lichtverlichting kunnen een roosterverandering ondergaan als gevolg van magnetostrictie, elektrostrictie en fotostrictie. Het concept van het toepassen van mechanische kracht op materialen kan worden gerealiseerd door handmatig buigen, omdat dit de eenvoudigste methode is om materiaalvervorming te veroorzaken. Om spanning op te leggen zonder de absorptie door defectvorming, materiaalwetenschappers vereisen hoogwaardige materialen zoals monokristallen of epitaxiale films, hoewel de meeste eenkristallen niet mechanisch kunnen worden gebogen.

Tweedimensionale (2-D) gelaagde oxide-moskovieten komen in aanmerking vanwege hun superieure mechanische flexibiliteit en hoge smeltpunt (~1260 ⁰ C tot 1290 ⁰ C). Als een spanning kan worden toegepast op een niet-lineair diëlektrisch rooster, dan kan het zijn vermogen voor ladingsopslag en de grootte van ferro-elektrische polarisatie veranderen. Niet-lineaire diëlektrische materialen bieden een sterke koppeling tussen de roosterstructuur en eigenschappen en tussen de traditionele niet-lineaire diëlektrica - niet-toxisch perovskiet Ba _x sr _1-x TiO ₃ systemen hebben een hoge gevoeligheid voor spanningstoepassing aangetoond. Als resultaat, Ko et al. geselecteerde para-elektrische Ba _0,5 sr _0,5 TiO ₃ (BSTO) en ferro-elektrische BaTiO ₃ als modelsystemen in de huidige studie om controle door mechanisch buigen te vertonen.

Het onderzoeksteam heeft de ferro-elektrische-naar-para-elektrische faseovergang van de Ba _x sr _1-x TiO ₃ systeem om de overeenkomstige diëlektrische en ferro-elektrische eigenschappen te regelen via mechanisch buigen. Ze gebruikten capaciteit-spanning (CV), polarisatiespanning (PV) en stroom-spanning (IV) metingen om de diëlektrische constante van BSTO en ferro-elektrische eigenschappen van BTO te karakteriseren. Ze bouwden ook een ferro-elektrische veldeffecttransistor (FeFET) op basis van BTO met een aluminium-gedoteerde zinkoxide (AZO) halfgeleiderlaag met hoge mobiliteit en maten de kanaalstroom om het buigeffect op de BSTO-condensator en BTO FeFET te bestuderen. Het team observeerde de verandering van het rooster onder buigen met behulp van Raman-spectroscopie en gebruikte röntgenfoto-elektronspectroscopie om de invloed van BTO-polarisatie op de elektronische structuur in de halfgeleider AZO-laag onder verschillende buigomstandigheden te benadrukken.

Ko et al. ontwikkelde de BSTO-condensator en de BTO FeFET-systemen op muscovietsubstraten met superieure kristalliniteit, die het team onderzocht met behulp van röntgendiffractie. Ze merkten een hoge kristallijne kwaliteit van de heterostructuur op zonder secundaire fasen en berekenden de kristalkwaliteit van elke laag met behulp van de schommelcurvemeting. Om de microstructuur van het materiaal te onderzoeken, karakteriseerden ze de heterostructuur met transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie en onderzochten ze spanning door mechanisch buigen met behulp van muscovietsubstraten vanwege hun mechanische flexibiliteit, waar dunnere muscovieten tijdens de experimenten betere buiging vertoonden.

Het team legde spanning op door mechanisch buigen om veranderingen in BTO-ferro-elektriciteit en de diëlektrische constante van BSTO waar te nemen. Ze voerden capaciteit-spanning (CV) en polarisatie-spanning (PV) metingen uit om te begrijpen of de polarisatie-intensiteit van BTO geleidelijk verzwakte onder mechanisch buigen. De elektrische afstembaarheid van de BSTO-condensator bereikte ongeveer 60 tot 70%, wat wijst op een hoge kwaliteit van de heterostructuren, en de diëlektrische constante kan alleen door het elektrische veld worden geregeld, terwijl toenemende of afnemende onder positieve (trekspanning) en negatieve (drukvervorming) buigkrommingen. Ko et al. de hoeveelheid lading die in dit diëlektrische materiaal is opgeslagen afgestemd door de roosterarchitectuur uit te rekken en opgemerkt dat gedrag ten opzichte van de niet-lineaire diëlektrische eigenschappen kan worden gecontroleerd en herhaald onder mechanisch buigen, met veel potentie in de praktijk.

Het team onderzocht vervolgens het vermogen van mechanisch buigen om ferro-elektrische eigenschappen te veranderen door middel van meerdere metingen, waaronder temperatuurafhankelijke Raman-spectroscopie om de faseovergang van ferro-elektrische materialen te bestuderen. De resultaten leverden direct bewijs om de ferro-elektrische toestand te regelen door middel van mechanisch buigen en verdere ontwerpoptimalisatie van het apparaat stelde hen in staat om een ​​eenvoudige en afstembare ferro-elektrische condensator om te zetten in een mechanisch gestuurde transistor. Zowel compressie- als trekbuiging verminderde de stroom in de toestand, maar het rekeffect was duidelijk onder trekbuiging. De wetenschappers bevestigden dat het AZO/BTO/SRO(Strontiumruthenaat)/muscovietsubstraat een mechanisch regelbare transistor is. Het team bevestigde deze effecten met behulp van piëzoresponskrachtmicroscopie (PFM) en Kelvin-probekrachtmicroscopie (KPFM).

Op deze manier, DL Ko en collega's ontwikkelden een flexibele oxide heteroepitaxiale condensator en FeFET, met behulp van para-elektrische BSTO, ferro-elektrische BTO en halfgeleidende AZO-lagen op een 2-D muscovietsubstraat. De BSTO-condensator vertoonde een hoge afstembaarheid van zijn diëlektrische constante onder mechanisch buigen. In de FeFET-component, ze bereikten een verandering van twee orde van grootte in de verhouding van aan / uit-stroom ten opzichte van BTO-ferro-elektriciteit. De resultaten van het onderzoek gaven hen kritische inzichten in het mechanisme, waarin flexibele en afstembare elektrische eigenschappen mogelijk waren door eenvoudig mechanisch buigen. Deze doorbraak zal een veelbelovend pad bieden voor toekomstige toepassingen van mechanisch afstembare technologie.

© 2020 Wetenschap X Netwerk