Science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Een theoretische benadering van ferro-elektriciteit in hafnia-gerelateerde materialen

Ferro-elektrische domeinen verwacht in hafnia. a) toont de tetragonale (t) fase van hafnia (midden) en de vier orthorhombische ferro-elektrische (o-III) varianten waartoe deze leidt. b) toont de orthorhombische centrosymmetrische fase (o-ref) die we voorstellen als referentie (midden) en de twee o-III-domeinen waartoe deze leidt. Hafniumatomen worden in blauw weergegeven. De actieve zuurstofatomen, verantwoordelijk voor de ontwikkeling van de spontane polarisatie, worden in rood weergegeven; de andere zuurstofatomen worden oranje weergegeven. Zwarte pijlen geven spontane polarisatie aan, die ingaat tegen de verplaatsing van de actieve zuurstofatomen uit de referentiestructuur. De berekende polarisatie ten opzichte van de t-fase voor de structuur gemarkeerd met een asterisk in (a) is +0,54 C m −2 ; de polarisatie met betrekking tot de o-ref-fase van de structuur gemarkeerd met een asterisk in (b) is daarentegen −0,68 C m −2 , terwijl degene gemarkeerd met een dolk +0,68 C m −2 weergeeft . Credit:Communicatiemateriaal , doi:10.1038/s43246-023-00421-z

Hafnia ferro-elektrische componenten zijn gebaseerd op hun technische belofte en opmerkelijke gedrag, waarbij de eigenaardigheden voortkomen uit een actief extrinsiek mechanisme dat bijdraagt ​​aan hun eigenschappen vanuit een groeiend aantal nieuwe intrinsieke kenmerken.



Vanwege hun onconventionele karakter blijven fundamentele vragen over de materialen open. In een nieuw rapport gepubliceerd in Communicatiematerialen Hugo Aramberri, Jorge Iniguez en een team van onderzoekers op het gebied van materiaalonderzoek, wetenschap en natuurkunde in Luxemburg gebruikten simulaties van het eerste principe om te laten zien hoe het aannemen van een originele referentiefase met hoge symmetrie leidde tot de ontwikkeling van een wiskundig eenvoudige en fysiek transparante behandeling van de ferro-elektrische toestand van Hafnia. Het werk leverde diepere onthullingen op over Hafnia-ferro-elektrische materialen om hun eigenschappen te optimaliseren en nieuwe eigenschappen te induceren.

Ferro-elektriciteit en redenen voor een alternatieve benadering van hafnia

Hafnia ferro-elektrische materialen hebben veel technische beloftes en verrassende eigenschappen dankzij hun nanostructuren en afstembare piëzorespons. Het gedrag van dergelijke materialen moet nog worden begrepen; een meerderheid van intrinsieke en extrinsieke factoren beïnvloedt echter de waargenomen eigenschappen. Deze omvatten de intrinsieke kenmerken van perfecte kristallen.

Gebaseerd op simulaties van de eerste principes, toonden Aramberri en het team het bestaan ​​van een ferro-elektrische toestand aan en onthulden de eigenschappen ervan. De ferro-elektriciteit in hafnia toont de ferro-elektrische fase met vier verschillende domeinen in hafnia-monsters.

Tijdens het ontwaken gedraagt ​​hafnia zich als een ferro-elastisch biaxiaal materiaal dat een theorie vereist die is gebaseerd op een tetragonale hoogsymmetriereferentiestructuur. De 'ontwaakte' hafnia- en zirkoniumoxidemonsters vertonen een co-existentie van fasen, waaronder de o-III ferro-elastische toestand, de bekende monokliene grondtoestand en andere orthorhombische polymorfen. Dergelijke polymorfen worden gescheiden door grenzen met een breedte van nul.

Energielandschap verbindende sleutel HfO2 polymorfen. De zwarte lijnen tonen de berekende energievariatie tussen de t- en o-III-fasen (a), o-III en o-ref (b), en o-ref en m (c). De energieën worden berekend voor tussenliggende structuren die worden verkregen door lineaire interpolatie tussen de overeenkomstige eindpuntpolymorfen. De rode lijn in (b) toont de energievariatie van de o-ref-toestand bij condensatie van de vervormingen die aanwezig zijn in de o-III-fase; de rode lijn in (c) toont het analoge resultaat wanneer alleen de fononvervormingen in de m-fase worden beschouwd. De blauwe lijn in (c) toont het resultaat van het samencondenseren van de fonon- en schuifspanningsvervormingen die aanwezig zijn in de m-fase, terwijl de groene lijn de energievariatie toont die alleen met de schuifspanning samenhangt. In (b) en (c) zijn de extra vervormingen die naar de zwarte lijn leiden volledig symmetrische modi, inclusief de normale celspanningen. Credit: Communicatiemateriaal , doi:10.1038/s43246-023-00421-z

De aard van ferro-elektriciteit van Hafnia

Hafnia vertoonde kenmerken die typerend zijn voor ferro-elektrische materialen met grote dwangvelden en veerkracht van de polaire orde op nanoschaal. Onderzoekers hadden eerder een sterke diëlektrische anomalie opgemerkt waarbij het verwarmen van hafnia resulteerde in een ferro-elektrische faseovergang, net zoals echte ferro-elektrische materialen zoals bariumtitanaat met hoge permissiviteit.

De simulaties van de dichtheidsfunctionaaltheorie van bariumtitaanoxide vertoonden kenmerkende kenmerken van ferro-elektriciteit. De uitkomsten werpen ook licht op de mogelijke overgangen tussen stabiele hafnia-polymorfen en variaties op de structurele details ervan.

Om ferro-elektrische schakelingen en veldgestuurde overgangen in hafnia en zirkoniumoxide te onderzoeken, hebben Aramberri en zijn team een ​​theoretische o-referentietoestand geconstrueerd als uitgangspunt om de referentie van alle relevante tussenliggende toestanden te vergemakkelijken.

Tijdens de experimenten voerde het team studies uit met behulp van de dichtheidsfunctionaaltheorie uit de eerste principes. Ze berekenden de polarisatie met behulp van een moderne polarisatietheorie. Voor symmetrieanalyse gebruikten ze standaard webgebaseerde kristallografische hulpmiddelen en visualiseerden ze de structurele representaties van de structuren met behulp van röntgendiffractiepatronen.

Fononbanden van de o-ref-fase. a toont de berekende banden, waarbij denkbeeldige frequenties als negatieve waarden worden gepresenteerd. De belangrijkste onstabiele modi zijn gemarkeerd in (a). We laten ook de overeenkomstige eigenmodi zien en de polymorfen waartoe ze leiden:de zachte modus (b) en de overeenkomstige o-III-fase (c); de zachte modus (d) en de overeenkomstige o-I-fase (e); de zachte modus (f) en de bijbehorende m-fase (g); en de zachte modus (h) en de overeenkomstige o-I* fase (i). We markeren in rood de actieve zuurstofatomen waarvan de verplaatsingen deze fononen karakteriseren. Voor de polymorfen geven we de energie aan met betrekking tot o-ref. Credit:Communicatiemateriaal , doi:10.1038/s43246-023-00421-z

Vooruitzichten

Op deze manier introduceerden Hugo Aramberri, Jorge Iniguez en hun team een ​​theoretisch raamwerk om de functionele eigenschappen van de meest voorkomende ferro-elektrische fase van hafnia en zirkoniumoxide te modelleren, waaronder schakelen, veldgestuurde overgangen en elektromechanische reacties.

Het team vertrouwde op een uniaxiale ferroïsche orde die veel van dergelijke monsters beïnvloedde. De wetenschappers bespraken de impact van het fenomeen op verschillende behandelingen, waarbij de uitkomsten een eenvoudig maar grondig beeld gaven van het relevante energielandschap van hafnia en zirkoniumoxide dat op natuurlijke wijze alle energiezuinige polymorfen met elkaar verbond.

De voorgestelde referentie is een ideaal startpunt, van theoretische en computationele studies tot het bedenken van nieuwe experimenten en de optimalisatie ervan.

Meer informatie: Hugo Aramberri et al, Theoretische benadering van ferro-elektriciteit in hafnia en aanverwante materialen, Communicatiemateriaal (2023). DOI:10.1038/s43246-023-00421-z

© 2023 Science X Netwerk




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. In sommige delen van de VS daalt het aantal wilde kalkoenen; de belangrijkste reden kan het verlies van leefgebied zijn
  2. Een netwerk van 100.000 mutanten volgen
  3. Wat zijn schadelijke genen?
  4. Music Science Fair Project Ideas
  5. Lysosoom: definitie, structuur en functie
  6. Hoe cellen onafhankelijk worden en functies reguleren
  7. Een sleutel vinden om geblokkeerde differentiatie in microRNA-deficiënte embryonale stamcellen te ontgrendelen
  8. Maak een lijst van de stappen van de celcyclus in volgorde
  9. Wetenschappers ontsluiten de sleutel tot het kweken van koolstofverslindende planten met een grote eetlust

Wetenschap