In de afgelopen jaren is een klasse van materialen, antiferro-elektriciteit genaamd, in toenemende mate bestudeerd vanwege de mogelijke toepassingen ervan in moderne computergeheugenapparaten. Onderzoek heeft aangetoond dat op antiferro-elektrische gebaseerde geheugens een grotere energie-efficiëntie en hogere lees- en schrijfsnelheden kunnen hebben dan conventionele geheugens, naast andere aantrekkelijke eigenschappen. Verder zijn dezelfde verbindingen die antiferro-elektrisch gedrag kunnen vertonen al geïntegreerd in bestaande productieprocessen voor halfgeleiderchips.

Nu heeft een team onder leiding van Georgia Tech-onderzoekers onverwacht vertrouwd gedrag ontdekt in het antiferro-elektrische materiaal dat bekend staat als zirkoniumdioxide of zirkonia. Ze laten zien dat naarmate de microstructuur van het materiaal kleiner wordt, het zich op dezelfde manier gedraagt ​​als veel beter begrepen materialen die bekend staan ​​​​als ferro-elektriciteit. De bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Electronic Materials .

Miniaturisatie van circuits heeft de afgelopen vijftig jaar een sleutelrol gespeeld bij het verbeteren van de geheugenprestaties. Weten hoe de eigenschappen van een antiferro-elektrische verandering naarmate de grootte kleiner wordt, zou het ontwerp van effectievere geheugencomponenten mogelijk moeten maken.

De onderzoekers merken ook op dat de bevindingen implicaties zouden moeten hebben op veel andere gebieden dan het geheugen.

"Antiferro-elektriciteit heeft een reeks unieke eigenschappen, zoals hoge betrouwbaarheid, uithoudingsvermogen bij hoge spanning en brede bedrijfstemperaturen, waardoor ze nuttig zijn in een groot aantal verschillende apparaten, waaronder condensatoren met hoge energiedichtheid, transducers en elektro-optische circuits." zei Nazanin Bassiri-Gharb, co-auteur van het artikel en professor aan de Woodruff School of Mechanical Engineering en de School of Materials Science and Engineering aan Georgia Tech. "Maar de schaaleffecten van grootte waren lange tijd grotendeels onder de radar gebleven."

"Je kunt je apparaat ontwerpen en kleiner maken door precies te weten hoe het materiaal zal presteren", zegt Asif Khan, co-auteur van het artikel en assistent-professor aan de School of Electrical and Computer Engineering en de School of Materials Science and Engineering in Georgia. techniek. "Vanuit ons standpunt opent het echt een nieuw onderzoeksgebied."

Blijvende velden

Het bepalende kenmerk van een antiferro-elektrisch materiaal is de eigenaardige manier waarop het reageert op een extern elektrisch veld. Dit antwoord combineert kenmerken van non-ferro-elektrische en ferro-elektrische materialen, die veel intensiever zijn bestudeerd in de natuurkunde en materiaalkunde.

Voor ferro-elektriciteit zorgt blootstelling aan een extern elektrisch veld van voldoende sterkte ervoor dat het materiaal sterk gepolariseerd wordt, wat een toestand is waarin het materiaal zijn eigen interne elektrische veld vertoont. Zelfs wanneer het externe elektrische veld wordt verwijderd, blijft deze polarisatie bestaan, vergelijkbaar met hoe een ijzeren spijker permanent gemagnetiseerd kan worden.

Het gedrag van een ferro-elektrisch materiaal hangt ook af van de grootte ervan. Omdat een materiaalmonster dunner wordt gemaakt, is een sterker elektrisch veld nodig om een ​​permanente polarisatie te creëren, in overeenstemming met een nauwkeurige en voorspelbare wet die de wet van Janovec-Kay-Dunn (JKD) wordt genoemd.

Daarentegen veroorzaakt de toepassing van een extern elektrisch veld op een antiferro-elektrische niet dat het materiaal in eerste instantie gepolariseerd wordt. Echter, naarmate de sterkte van het externe veld toeneemt, schakelt een antiferro-elektrisch materiaal uiteindelijk over naar een ferro-elektrische fase, waar de polarisatie abrupt intreedt. Het elektrische veld dat nodig is om het antiferro-elektrische naar een ferro-elektrische fase te schakelen, wordt het kritische veld genoemd.

Grootte schalen

In het nieuwe werk ontdekten de onderzoekers dat zirkoniumoxide-antiferro-elektriciteit ook gehoorzaamt aan zoiets als een JKD-wet. In tegenstelling tot ferro-elektriciteit speelt de microstructuur van het materiaal echter een sleutelrol. De sterkte van het kritische veld schalen in het JKD-patroon specifiek met betrekking tot de grootte van structuren die bekend staan ​​als kristallieten in het materiaal. Voor een kleinere kristallietgrootte is een sterker kritisch veld nodig om een ​​antiferro-elektrisch materiaal in zijn ferro-elektrische fase te schakelen, zelfs als de dunheid van het monster hetzelfde blijft.

"Er was geen voorspellende wet die dicteert hoe de schakelspanning zal veranderen als men deze antiferro-elektrische oxide-apparaten miniaturiseert", zei Khan. "We hebben een nieuwe draai aan een oude wet gevonden."

Vroeger was het moeilijk om dunne antiferro-elektriciteit te produceren in vergelijkbare afmetingen als ferro-elektriciteit, aldus de onderzoekers. Nujhat Tasneem, de doctoraalstudent die het onderzoek leidde, bracht volgens Khan "dag en nacht" door in het laboratorium om lekvrije antiferro-elektrische zirkoniumoxidefilms van enkele nanometers groot te verwerken en te produceren. De volgende stap is volgens Khan dat onderzoekers uitzoeken hoe ze de kristallietgrootte precies kunnen regelen, en zo de eigenschappen van het materiaal aanpassen voor gebruik in circuits.

De onderzoeker werkte ook samen met onderzoekers van de Charles University in Tsjechië en de Universidad Andres Bello in Chili voor respectievelijk röntgendiffractiekarakterisering en op de eerste beginselen gebaseerde berekeningen.

"Het was echt een gezamenlijke inspanning, verspreid over meerdere continenten," zei Tasneem.

De resultaten zouden ook fundamentele natuurkundige vragen moeten beantwoorden, aldus Bassiri-Gharb. De laatste jaren is er iets mysterieus ontstaan ​​in de studie van antiferro-elektriciteit, waarbij de manier waarop microscopische kristallijne structuren een macroscopische polarisatie veroorzaken in twijfel wordt getrokken.

"Het is bijzonder opwindend om twee zeer verschillende soorten materialen te vinden - ferro-elektrische en antiferro-elektriciteit met verschillende atomaire structuren - om hetzelfde gedrag en dezelfde wetten te volgen," zei Bassiri-Gharb. "Het opent deuren voor het zoeken naar meer overeenkomsten en het overdragen van meer van onze kennis over de velden." + Verder verkennen

Natuurkundigen construeren nieuw eigendom van 'wit' grafeen