Caratteristiche strutturali dell'eteroepitassia. (A) Schema dei sistemi BSTO e BTO. (B) Schema della relazione epitassiale. (C) Scansione a raggi X fuori piano 2θ-θ dell'eterostruttura. a.u., unità arbitrarie. (D) Curve oscillanti di SRO(222), BTO(111), e AZO(002). (E) Φ-Scansione della muscovite{202}, SRO{002}, BTO{002}, e AZO{101}. (F) Immagine TEM in sezione trasversale all'interfaccia e i corrispondenti modelli di trasformata di Fourier veloce (FFT) negli inserti. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaz3180
Titanato di stronzio di bario sensibile allo sforzo (Ba X -Sr 1-x -TiO 3 ) i sistemi di perovskite sono ampiamente utilizzati per i loro comportamenti dielettrici non lineari superiori. In un nuovo rapporto su Progressi scientifici, D.L. Ko e un team di ricerca in scienza e ingegneria dei materiali, fisica, elettronica e ingegneria dell'informazione a Taiwan, Hong Kong e gli Stati Uniti hanno sviluppato nuove eterostrutture tra cui il paraelettrico Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 (BSTO) e BaTiO . ferroelettrico 3 (BTO) epitassialmente su un substrato di muscovite flessibile. L'applicazione della forza meccanica tramite semplice flessione ha regolato la costante dielettrica (potenziale di energia elettrica) per BSTO che va da -77 a 36%, così come la corrente di canale dei transistor ad effetto di campo ferroelettrico basati su BTO, da due ordini. Ko et al. ha studiato il meccanismo dettagliato esplorando la transizione di fase e la determinazione della struttura di banda per implementare simulazioni del campo di fase e fornire supporto teorico. Il campo apre una nuova strada per i componenti controllabili meccanicamente basati sull'eteroepitassia di ossido di alta qualità.
La configurazione periodica degli atomi in un solido è una conseguenza della minimizzazione dell'energia, dove gli atomi coinvolti e la loro disposizione corrispondente possono determinare le proprietà dei materiali. Di conseguenza, gli scienziati dei materiali possono regolare dinamicamente la periodicità delle disposizioni degli atomi o delle applicazioni di deformazione in un approccio fondamentale per regolare le funzionalità dei materiali. I ricercatori avevano precedentemente proposto diversi approcci per imporre una sollecitazione sui materiali, inclusa l'applicazione della pressione idrostatica per osservare lo spostamento dei picchi di diffrazione tramite l'analisi dei raggi X come prova diretta dell'alterazione del reticolo dovuta a una forza esterna. Per esempio, stimoli esterni come campi magnetici, i campi elettrici e l'illuminazione della luce possono subire un cambiamento di reticolo a causa della magnetostrizione, elettrostrizione e fotostrizione. Il concetto di applicazione della forza meccanica ai materiali può essere realizzato attraverso la piegatura manuale poiché è il metodo più semplice per causare la deformazione del materiale. Al fine di imporre la deformazione senza l'assorbimento per formazione di difetti, gli scienziati dei materiali richiedono materiali di alta qualità come cristalli singoli o film epitassiali, sebbene la maggior parte dei singoli cristalli non possa essere piegata meccanicamente.
I diversi risultati della muscovite 2-D sotto flessione. In questo studio, è stata utilizzata una colla per sigillare i bordi delle eterostrutture, fornendo una forte connessione dell'eterostruttura. Questa è la chiave per imporre la tensione all'eterostruttura. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaz3180
Le muscoviti di ossido stratificate bidimensionali (2-D) sono un candidato idoneo grazie alla loro flessibilità meccanica superiore e all'elevato punto di fusione (~1260 0 C a 1290 0 C). Se una deformazione può essere applicata a un reticolo dielettrico non lineare, quindi può cambiare la sua capacità di immagazzinare carica e l'entità della polarizzazione ferroelettrica. I materiali dielettrici non lineari offrono un forte accoppiamento tra la struttura reticolare e le proprietà e tra i tradizionali dielettrici non lineari:la perovskite non tossica Ba X Sr 1-x TiO 3 i sistemi hanno mostrato un'elevata sensibilità all'applicazione della deformazione. Di conseguenza, Ko et al. selezionato Ba . paraelettrico 0,5 Sr 0,5 TiO 3 (BSTO) e BaTiO . ferroelettrico 3 come sistemi modello nel presente studio per esibire il controllo mediante flessione meccanica.
Il team di ricerca ha messo a punto la transizione di fase ferroelettrica-paraelettrica del Ba X Sr 1-x TiO 3 sistema per controllare le corrispondenti proprietà dielettriche e ferroelettriche tramite piegatura meccanica. Hanno usato capacità-tensione (CV), misure di tensione di polarizzazione (PV) e corrente-tensione (IV) per caratterizzare la costante dielettrica del BSTO e le proprietà ferroelettriche del BTO. Hanno anche costruito un transistor ad effetto di campo ferroelettrico (FeFET) sulla base del BTO con uno strato semiconduttore di ossido di zinco drogato con alluminio (AZO) ad alta mobilità e hanno misurato la sua corrente di canale per studiare l'effetto di flessione sul condensatore BSTO e sul FeFET BTO. Il team ha osservato il cambiamento del reticolo sotto flessione utilizzando la spettroscopia Raman e ha utilizzato la spettroscopia fotoelettronica a raggi X per evidenziare l'influenza della polarizzazione BTO sulla struttura elettronica nello strato AZO del semiconduttore in diverse condizioni di flessione.
Proprietà ferroelettriche. (A) La relazione tra curvatura e spessore del substrato di muscovite. (B) La costante dielettrica di BSTO sotto diverse curvature di flessione. (C) La sintonizzabilità del campo elettrico variato sotto diverse curvature di flessione. (D) Forma a farfalla CV allo stato non piegato e costante dielettrica a diversi stati di piegatura. (E) Cicli di isteresi di tensione di polarizzazione a varie curvature di flessione di trazione e compressione. Credito:Deng Li Ko, Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, Università Nazionale Chiao Tung, Hsinchu 30010, Taiwan. (F) La temperatura di transizione di BSTO e BTO sotto diverse curvature di flessione. (G) L'ampiezza del segnale Raman a curvature non piegate e piegate di 0,1, 0,13, 0,2, e 0,285 mm-1. (H) Spettri Raman dell'eterostruttura alla temperatura che va da temperatura ambiente a 170°C. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaz3180
Ko et al. ha progettato il condensatore BSTO e i sistemi BTO FeFET su substrati di muscovite con cristallinità superiore, che il team ha esaminato utilizzando la diffrazione dei raggi X. Hanno notato un'elevata qualità cristallina dell'eterostruttura senza fasi secondarie e hanno calcolato la qualità cristallina di ogni strato utilizzando la misurazione della curva di oscillazione. Per esaminare la microstruttura del materiale hanno caratterizzato l'eterostruttura con microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione e hanno studiato la deformazione per flessione meccanica utilizzando substrati di muscovite a causa della loro flessibilità meccanica, dove muscoviti più sottili hanno mostrato una migliore flessione durante gli esperimenti.
Il team ha imposto una tensione attraverso la flessione meccanica per osservare i cambiamenti nella ferroelettricità BTO e la costante dielettrica di BSTO. Hanno condotto misurazioni della tensione di capacità (CV) e di tensione di polarizzazione (PV) per capire se l'intensità di polarizzazione del BTO si fosse gradualmente indebolita sotto la flessione meccanica. La sintonizzabilità elettrica del condensatore BSTO ha raggiunto circa il 60-70%, indicando alta qualità delle eterostrutture, e la costante dielettrica potrebbe essere regolata dal solo campo elettrico, aumentando o diminuendo sotto curvature di flessione positive (deformazione di trazione) e negative (deformazione di compressione). Ko et al. sintonizzato la quantità di carica immagazzinata in questo materiale dielettrico allungando l'architettura reticolare e notato che i comportamenti relativi alle proprietà dielettriche non lineari potrebbero essere controllati e ripetuti sotto flessione meccanica, con un grande potenziale in pratica.
Le caratteristiche del FeFET flessibile. (A) Schema schematico di FeFET flessibile. (B) Diversi risultati di flessione della curva ID-VG in senso antiorario sotto VG che spazia da -1 a 6 V. (C) Curva ID-VG in senso antiorario sotto flessione di compressione. (D) Il rapporto tra la corrente di flessione e di flessione. (E) Cinque cicli di test di durata iniziati dopo 1000 cicli di piegatura, e il rapporto corrente on/off era di due ordini di grandezza. (F) L'IDS del transistor AZO/BSTO mostra un'alterazione trascurabile sotto flessione. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaz3180
Il team ha quindi studiato la capacità della piegatura meccanica di alterare le proprietà ferroelettriche attraverso misurazioni multiple inclusa la spettroscopia Raman dipendente dalla temperatura per studiare la transizione di fase dei materiali ferroelettrici. I risultati hanno fornito prove dirette del controllo dello stato ferroelettrico attraverso la piegatura meccanica e un'ulteriore ottimizzazione del design del dispositivo ha permesso loro di convertire un condensatore ferroelettrico semplice e sintonizzabile in un transistor controllato meccanicamente. Sia la flessione di compressione che quella di trazione hanno diminuito la corrente nello stato acceso, ma l'effetto di deformazione era evidente sotto flessione di trazione. Gli scienziati hanno confermato che il substrato AZO/BTO/SRO (rutenato di stronzio)/muscovite è un transistor controllabile meccanicamente. Il team ha confermato questi effetti utilizzando la microscopia a forza piezorisposta (PFM) e la microscopia a forza con sonda Kelvin (KPFM).
La microscopia a scansione di sonda sotto la curvatura di flessione di 0,285 mm-1 flex-out. (A) Fase fuori piano della PFM dopo il processo di polarizzazione. (B) Il potenziale di superficie KPFM è stato rilevato direttamente dopo la misurazione PFM. La struttura a bande del FeFET è stata sondata mediante misurazione XPS. (C) Gli spettri Zn 2p e Ba 3d XPS del campione AZO/BTO negli stati Pdown e Pup. (D) Gli spettri Zn 2p e Ba 3d XPS del campione AZO/BTO nel non piegato, piegarsi, e stati appiattiti. (E e F) Diagrammi schematici che illustrano l'allineamento della banda di energia all'eterogiunzione AZO/BTO negli stati non piegato e piegato. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaz3180
In questo modo, D.L. Ko e colleghi hanno sviluppato un condensatore eteroepitassiale a ossido flessibile e FeFET, usando BSTO paraelettrico, BTO ferroelettrico e strati AZO semiconduttori su un substrato di muscovite 2-D. Il condensatore BSTO ha mostrato un'elevata sintonizzabilità della sua costante dielettrica sotto flessione meccanica. Nella componente FeFET, hanno raggiunto una variazione di due ordini di grandezza nel rapporto tra corrente on/off rispetto alla ferroelettricità BTO. I risultati dello studio hanno fornito loro intuizioni critiche sul meccanismo, in cui le proprietà elettriche flessibili e sintonizzabili erano possibili attraverso la semplice piegatura meccanica. Questa svolta fornirà un percorso promettente per le future applicazioni della tecnologia sintonizzabile meccanicamente.
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