Veelbelovend nieuws voor degenen die genieten van de vooruitzichten van een 1-inch chip die meerdere terabytes aan gegevens opslaat, enige duidelijkheid is gebracht in de tot nu toe verwarrende fysica van ferro-elektrische nanomaterialen. Een multi-institutioneel team van onderzoekers, geleid door wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) heeft de eerste inzichten op atomaire schaal opgeleverd in de ferro-elektrische eigenschappen van nanokristallen. Deze informatie is van cruciaal belang voor de ontwikkeling van de volgende generatie niet-vluchtige gegevensopslagapparaten.

Werken met 's werelds krachtigste transmissie-elektronenmicroscoop, de onderzoekers brachten de ferro-elektrische structurele vervormingen in nanokristallen van germaniumtelluride in kaart, een halfgeleider, en bariumtitanaat, een isolator. Deze gegevens werden vervolgens gecombineerd met gegevens van elektronenholografische polarisatiebeeldvorming om gedetailleerde informatie te verkrijgen over de polarisatiestructuren en schaallimieten van ferro-elektrische orde op nanoschaal.

"Terwijl we onze apparaattechnologie terugschroeven van de microschaal naar de nanoschaal, we hebben een beter begrip nodig van hoe kritische materiaaleigenschappen, zoals ferro-elektrisch gedrag, worden beïnvloed, " zegt Paul Alivisatos, directeur van Berkeley Lab en een van de hoofdonderzoekers in dit onderzoek. "Onze resultaten bieden een weg naar het ontrafelen van de fundamentele fysica van ferro-elektriciteit op nanoschaal op de kleinst mogelijke schaal."

Alivisatos, die ook de Larry en Diane Bock hoogleraar nanotechnologie is aan de University of California (UC) Berkeley, is een corresponderende auteur van een paper waarin dit werk in het tijdschrift wordt beschreven Natuurmaterialen getiteld "Ferro-elektrische orde in individuele kristallen op nanometerschaal." De andere corresponderende auteur is Ramamoorthy Ramesh, een senior wetenschapper bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en de Plato Malozemoff Professor of Materials Science and Physics voor UC Berkeley.

Ferro-elektriciteit is de eigenschap waarmee materialen elektrisch kunnen worden gepolariseerd, wat betekent dat ze gericht zijn op een positieve of negatieve elektrische lading. Deze polarisatie kan worden omgedraaid met de toepassing van een extern elektrisch veld, een eigenschap die kan worden misbruikt voor niet-vluchtige gegevensopslag, vergelijkbaar met het gebruik van ferromagnetische materialen vandaag, maar met veel kleinere, veel dichter op elkaar gepakte apparaten.

"Hoewel er veel vooruitgang is geboekt bij het begrijpen van fotofysische magnetische en andere functionele eigenschappen op nanoschaal, het begrijpen van de basisfysica van ferro-elektrische nanomaterialen blijft veel minder geavanceerd, " zegt co-hoofdonderzoeker Ramesh, die tegenstrijdige rapporten over ferro-elektriciteit op nanoschaal gedeeltelijk toeschrijft aan het gebrek aan hoogwaardige, nanokristallen van ferro-elektrische materialen met goed gedefinieerde afmetingen, vormen en oppervlakken.

"Een ander probleem was de afhankelijkheid van ensemblemetingen in plaats van enkelvoudige deeltjestechnieken, "zegt hij. "Statistisch gemiddelde meettechnieken hebben de neiging om de fysieke mechanismen te verdoezelen die verantwoordelijk zijn voor diepgaande veranderingen in ferro-elektrisch gedrag binnen individuele nanokristallen."

Het door Berkeley Lab geleide onderzoeksteam was in staat om ferro-elektrische structurele vervormingen in individuele nanokristallen in kaart te brengen dankzij de ongekende mogelijkheden van TEAM I, die is gehuisvest in Berkeley Lab's National Center for Electron Microscopy (NCEM). TEAM staat voor "Transmission Electron Aberration-Corrected Microscope". TEAM I kan beelden oplossen van structuren met afmetingen zo klein als een halve angstrom - minder dan de diameter van een enkel waterstofatoom.

De bij TEAM I geproduceerde kaarten van ferro-elektrische vervormingspatronen in de sterk geleidende germaniumtelluride-nanokristallen werden vervolgens vergeleken met elektronholografische studies van isolerende nanokubussen van bariumtitanaat, die werden uitgevoerd door medewerkers van Brookhaven National Laboratory (BNL).

"Elektronenholografie is een interferometrietechniek die gebruik maakt van coherente elektronengolven, " zei BNL-fysicus en co-auteur van de Natuurmaterialen papier Myung-Geun Han. "Door gerichte elektronengolven door het ferro-elektrische monster te vuren, ontstaat een zogenaamde faseverschuiving, of een interferentiepatroon dat details van de beoogde structuur onthult. Dit levert een elektronenhologram op, die we kunnen gebruiken om lokale elektrische velden van individuele ferro-elektrische nanodeeltjes direct te zien."

Deze gecombineerde studies maakten het onafhankelijk onderzoek mogelijk van depolariserende veld- en oppervlaktestructuurinvloeden en stelden het onderzoeksteam in staat om de fundamentele factoren te identificeren die de aard van de ferro-elektrische gepolariseerde toestand bij eindige afmetingen bepalen. De resultaten geven aan dat een monodomein ferro-elektrische toestand met lineair geordende polarisatie stabiel blijft in deze nanokristallen tot afmetingen van minder dan 10 nanometer. Ook, polarisatie-flipping bij kamertemperatuur werd aangetoond tot afmetingen van ongeveer vijf nanometer. Onder deze drempel ferro-elektrisch gedrag verdwenen. Dit geeft aan dat vijf nanometer waarschijnlijk een maximale grootte is voor toepassingen voor gegevensopslag, stellen de auteurs.

"We hebben ook aangetoond dat ferro-elektrische coherentie gedeeltelijk wordt vergemakkelijkt door controle van de deeltjesmorfologie, die samen met elektrostatische randvoorwaarden de ruimtelijke omvang van coöperatieve ferro-elektrische vervormingen bepaalt, " zegt Ramesh. "Samen genomen, onze resultaten geven een glimp van de structurele en elektrische manifestaties van ferro-elektriciteit tot aan de uiterste grenzen."