Waarom vertonen sommige ferro-elektrische materialen belvormige patronen, terwijl anderen complexe, labyrintische patronen?

Een FLEET-studie vindt dat het antwoord op de veranderende patronen in ferro-elektrische films ligt in niet-evenwichtsdynamiek, met topologische defecten die de daaropvolgende evolutie aandrijven.

Ferro-elektrische materialen kunnen worden beschouwd als een elektrische analogie met ferromagnetische materialen, met hun permanente elektrische polarisatie die lijkt op de noord- en zuidpool van een magneet.

Het begrijpen van de fysica achter hun domeinpatroonveranderingen is cruciaal voor het ontwerpen van geavanceerde energiezuinige ferro-elektrische elektronica, of door de hersenen geïnspireerde neuromorfe computers.

Labyrinthine vs bubbels:welke patronen onthullen

De karakteristieke domeinpatronen van dunne-film ferro-elektrische materialen worden sterk beïnvloed door het type materiaal, en door de filmconfiguratie (substraat, elektrode, dikte, structuur, enzovoort).

"We wilden begrijpen wat de oorzaak is van het ontstaan ​​van het ene patroon in plaats van het andere, " legt Dr. Qi (Peggy) Zhang (UNSW) uit, die experimenten leidde bij UNSW.

"Bijvoorbeeld:wat drijft de vorming van mozaïekvormige domeinpatronen, in plaats van labyrintvormige patronen. En waarom zou een volgende verandering naar bubbelvormige patronen leiden."

Het onderzoeksteam was op zoek naar een gemeenschappelijk kader of routekaart die dergelijke domeinarrangementen aanstuurt.

"Is er een topologische signatuur in deze staten? Is hun topologie evolutief? En zo ja, Hoezo? Dit zijn de soorten antwoorden die we zochten, " zegt hoofdauteur Dr. Yousra Nahas (Universiteit van Arkansas).

"We ontdekten dat zelfpatroonvorming van ferro-elektrische polaire domeinen kan worden begrepen door de niet-evenwichtsdynamiek te onderzoeken, en dat een gemeenschappelijk raamwerk dat van fasescheidingskinetiek is.

"We hebben ook topologische karakterisering uitgevoerd, en bestudeerde patroonevolutie onder een externe, toegepast elektrisch veld, die de cruciale rol van topologische defecten bij het bemiddelen van de patroontransformatie aan het licht bracht."

"De resultaten van deze studie vormen een routekaart (een fasediagram van polaire domeinpatronen) die onderzoekers kunnen gebruiken wanneer ze willen 'navigeren' door de veelheid aan gemoduleerde fasen in laagdimensionale ferro-elektriciteit, zegt co-hoofdauteur Dr. Sergei Prokhorenko (Universiteit van Arkansas).

Dit onderzoek is dus interessant op zijn eigen terrein (fysica van de gecondenseerde materie, ferro-elektriciteit), maar kan ook relevant zijn voor een interdisciplinair publiek met betrekking tot de universaliteit van concepten en resultaten.

De studie

Onderzoekers onderzochten domeinkenmerken en domeinevoluties van dunne-film Pb(Zr .) _0,4 Ti _0,6 )O ₃ (of "PZT') door uitgebreide modellering en experimenteel onderzoek (piëzoresponskrachtmicroscoop).

De onderzoekers vonden dat:

• Elektrisch veldcontrole van skyrmion-dichtheid wekt hysteretische geleiding op, die kunnen worden gebruikt voor solid-state neuromorphic computing
• Engineering topologische volgorde in ferro-systemen kan functionele topologische eigenschappen verbeteren.

"Topologie en controle van zelf-geassembleerde domeinpatronen in laagdimensionale ferro-elektriciteit" werd gepubliceerd in Natuurcommunicatie in november 2020.