Ferro-elektrische materialen zijn wijdverbreid gebruikt in de dagelijkse technologie, voornamelijk vanwege hun elektrische polarisatie die kan worden geschakeld tussen twee verschillende toestanden. Het overwinnen van de binaire limiet van ferro-elektriciteit om elke willekeurige waarde van de polarisatie te bereiken, is een langdurige uitdaging geweest, maar heeft het potentieel om de reikwijdte van ferro-elektrische toepassingen enorm uit te breiden, bijvoorbeeld naar neuromorfisch computergebruik.

Moderne elektronica is een digitale wereld, waar informatie wordt gegenereerd, opgeslagen en verwerkt in de vorm van nullen en enen. Om hun functie te vervullen, vertrouwen veel elektronische componenten dus op materialen die inherent binair zijn. In magnetische harde schijven wordt informatie bijvoorbeeld gecodeerd in de remanente magnetisatie van een ferromagneet die wordt gedefinieerd door de bekende magnetische hysterese en precies twee verschillende waarden kan aannemen. Magnetische domeinen in de harde schijf (d.w.z. gebieden met een uniforme magnetisatie) vormen dan geheugenbits.

Hoewel binaire elektronica ongetwijfeld tot talloze prestaties heeft geleid, bereiken ze hun fundamentele limieten in verband met de grootte. Bovendien was deze binaire benadering onpraktisch om analoge biologische systemen na te bootsen - zoals de synaptische transmissie in de hersenen - die veelbelovend zijn als de basis voor zeer efficiënte neuromorfische elektronica van de volgende generatie.

Door zich te concentreren op ferro-elektriciteit - materialen met een schakelbare spontane elektrische polarisatie - hebben onderzoekers van het Laboratory for Multifunctional Ferroic Materials en het Electron Microscopy Center van EMPA nu met succes het vermogen gerealiseerd om elke willekeurige waarde van de polarisatie op remanentie in te stellen. Ze bereikten dit in dunne films van loodzirkonaattitanaat (PbZr_x Ti_1-x O₃ , kortweg PZT) - het technologisch meest relevante ferro-elektrische materiaal dat vanwege zijn piëzo-elektrische eigenschappen op grote schaal wordt gebruikt, bijvoorbeeld in druksensoren of ultrasone apparaten.

Om deze continue schakelbaarheid van de polarisatie te bereiken, combineerde het team twee specifieke aspecten in hun ontwerpbenadering. Ten eerste concentreerden ze zich op een chemische samenstelling van PZT die dicht bij een fase-instabiliteit ligt, waarbij zelfs kleine elektrische velden zeer grote materiaalreacties kunnen induceren, zoals mechanische vervorming. Ten tweede kozen ze ervoor om epitaxiale films te maken met een dikte van slechts enkele nanometers, waarbij de spanning die wordt veroorzaakt door het onderliggende monokristallijne substraat fungeert als een handvat om de ferro-elektrische domeinarchitectuur te regelen.

Op basis van deze strategie bereidden de onderzoekers de films voor met behulp van een atomair nauwkeurig gepulseerd laserdepositiesysteem uitgerust met ultramoderne in-situ monitoringtools en slaagden ze erin een domeinconfiguratie te verkrijgen in de PZT-films bestaande uit willekeurig gerangschikte nanoscopische (≈10 nm) domeinen. Verrassend genoeg ontdekten ze dat de toepassing van een elektrisch veld het mogelijk maakt om de polarisatie in elk domein om te keren zonder de nanometrische domeingrootte te veranderen. Omdat de domeinen een brede verdeling van schakelbarrières vertonen, was het verder mogelijk om slechts een fractie van de domeinen te schakelen met één aangelegde spanningswaarde. Dus door het gemiddelde te nemen over een handvol domeinen, waren ze in staat om elke waarde van de polarisatie bij remanentie tussen gedepolariseerde en volledig verzadigde toestanden te stabiliseren.

Om de technologische relevantie van een continue polarisatiecontrole op nanoschaal aan te tonen, voerden de onderzoekers twee proof-of-concept-experimenten uit. Voor hun eerste toepassing toonden ze aan dat door de netto polarisatie ruimtelijk te regelen, het mogelijk is om de efficiëntie af te stemmen voor optische frequentieverdubbeling - tweede harmonische generatie - een eigenschap die een grote rol speelt voor fotonische toepassingen. Ten tweede demonstreerden ze een quasi-continue afstembaarheid van de tunnelstroom die door de PZT-film stroomt, afhankelijk van de netto polarisatie. Naast het bieden van een niet-destructieve uitlezing van de polarisatie, opent deze manipulatie van stroomstroming opwindende mogelijkheden voor de fabricage van kunstmatige synapsen.

Hun studie is gepubliceerd in Nature Communications . + Verder verkennen

Natuurkundigen ontdekken door licht geïnduceerd mechanisme voor het regelen van ferro-elektrische polarisatie