Un equipo de físicos ha desafiado la sabiduría convencional al inducir ferroelectricidad estable en una hoja de titanato de estroncio de solo unos pocos nanómetros de espesor.
El descubrimiento podría abrir nuevas vías para encontrar nuevos materiales para dispositivos de nanotecnología, dijo Alexei Gruverman, profesor de física y astronomía de la Universidad de Nebraska-Lincoln que trabajó en la investigación.
También contradice el comportamiento esperado de los materiales ferroeléctricos, que normalmente pierden una polarización ferroeléctrica estable a medida que se hacen más delgados.
"Si hace una película de titanato de estroncio muy delgada, de repente se vuelve ferroeléctrica a temperatura ambiente", dijo Gruverman. "Si la hace más gruesa, la ferroelectricidad desaparece. Eso es muy extraño, ya que va completamente en contra de todos losconocimiento común sobre el efecto del espesor en las propiedades ferroeléctricas ".
Gruverman y su equipo en la UNL utilizaron microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica, una técnica de prueba a nanoescala en la que fue pionera Gruverman, para confirmar que se había producido una polarización estable y conmutable en películas ultrafinas de titanato de estroncio cultivadas por un equipo de la Universidad de Wisconsin dirigido por Chang-Beom Eom.
El trabajo fue apoyado por la National Science Foundation a través de una subvención del programa Designing Materials to Revolutionize and Engineer Our Future DMREF. La parte del estudio de la UNL también recibió el apoyo de la NSF a través del Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales de la UNL.
La ferroelectricidad, que es un análogo eléctrico del ferromagnetismo, se caracteriza por una polarización eléctrica estable que puede conmutarse reorientarse con la aplicación de un campo eléctrico. Esta cualidad hace que los materiales ferroeléctricos sean útiles para una variedad de aplicaciones electrónicas, comocomo chips de memoria de computadora. Sin embargo, la tendencia de los materiales a perder estabilidad ferroeléctrica a medida que se vuelven más delgados ha limitado su utilidad en nanoelectrónica. Muchos científicos han estado investigando técnicas para crear materiales ferroeléctricos que aún pueden ser útiles en dimensiones de escala nanométrica.
El titanato de estroncio, que a menudo se utiliza como material aislante en condensadores dieléctricos, no es normalmente un ferroeléctrico a temperatura ambiente. Es una perovskita, un miembro de la familia de materiales de óxido complejos con estructuras cristalinas cúbicas distintivas. Las perovskitas han sido reconocidas durante mucho tiempo por ununa variedad de propiedades físicas útiles, que incluyen superconductividad, ferromagnetismo y ferroelectricidad. En los últimos años, se han estudiado para su uso potencial en células solares.
Pero los cristales no siempre están perfectamente formados. Si uno de cada 100 iones de estroncio falta en el cristal de titanato de estroncio en forma de cubo, puede crear regiones polarizadas de tamaño nanométrico dentro del cristal.
Por lo general, la masa del material sirve para aislar esas nano regiones polares en una matriz aislante. Sin embargo, los físicos de la Universidad de Wisconsin fabricaron películas epitaxiales de titanato de estroncio, esparcidas sobre un sustrato del mismo material, no más grueso que el tamaño de estasnanorregiones polares.
Las condiciones de los límites eléctricos en las películas cambiaron drásticamente, lo que obligó a las nanorregiones polares a interactuar entre sí y responder de manera cooperativa al campo eléctrico aplicado. Esto permitió la aparición de polarización conmutable y estable, que el equipo de la UNL observó mediante piezorespuestamicroscopía de fuerza.
El efecto se probó con simulaciones matemáticas y mediciones eléctricas, así como mediante estudios microscópicos estructurales.
Gruverman dijo que aún no se sabe si otros materiales de perovskita exhibirán las mismas cualidades.
"No sabemos si este efecto es exclusivo del titanato de estroncio, pero esperamos que este enfoque pueda extenderse a otros dieléctricos de perovskita en los que las nanoregiones polares se controlan mediante una cuidadosa ingeniería de la estructura del defecto de la película", dijo.puede proporcionar un camino hacia dispositivos con dimensiones reducidas donde la ferroelectricidad está acoplada a otras propiedades, como el magnetismo ".
Eom y Gruverman sirven como autores correspondientes para un artículo sobre el descubrimiento publicado en ciencia Viernes. Eom es líder mundial en el cultivo de películas monocristalinas epitaxiales y Gruverman es pionero en estudios a nanoescala de materiales ferroeléctricos. Un segundo grupo de la UNL involucrado en estos estudios, dirigido por Evgeny Tsymbal, asistió con apoyo teórico, realizando cálculos relacionados conla estabilidad de las nanorregiones polares. El artículo es coautor del investigador postdoctoral de la UNL, Haidong Lu, y la profesora asistente de investigación Tula Paudel.
Otros involucrados en el trabajo incluyeron Penn State University, Korea Institute of Materials Science, Temple University, Pohang University of Science and Technology, University of California-Santa Barbara y Boise State University.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Nebraska-Lincoln . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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