Perché alcuni materiali ferroelettrici mostrano motivi a forma di bolla, mentre altri mostrano complessi, schemi labirintici?

Uno studio FLEET trova la risposta ai modelli mutevoli nei film ferroelettrici risiede nella dinamica di non equilibrio, con difetti topologici che guidano l'evoluzione successiva.

I materiali ferroelettrici possono essere considerati un'analogia elettrica ai materiali ferromagnetici, con la loro polarizzazione elettrica permanente che ricorda i poli nord e sud di un magnete.

Comprendere la fisica dietro i loro cambiamenti del modello di dominio è fondamentale per la progettazione di elettronica ferroelettrica avanzata a bassa energia, o il calcolo neuromorfico ispirato al cervello.

Labirintico vs bolle:cosa rivelano gli schemi

I pattern di dominio caratteristici dei materiali ferroelettrici a film sottile sono fortemente influenzati dal tipo di materiali, e dalla configurazione del film (substrato, elettrodo, spessore, struttura, eccetera).

"Volevamo capire cosa guida l'emergere di un modello piuttosto che di un altro, " spiega il Dr. Qi (Peggy) Zhang (UNSW), che ha condotto esperimenti all'UNSW.

"Ad esempio:cosa guida la formazione di pattern di dominio a forma di mosaico, invece di un motivo a forma di labirinto. E perché dovrebbe guidare un successivo cambiamento al modello a forma di bolla."

Il team di ricerca stava cercando un quadro comune o una tabella di marcia che guidasse tali accordi di dominio.

"C'è una firma topologica in questi stati? La loro topologia è evolutiva? E se sì, come mai? Questi sono i tipi di risposte che stavamo cercando, " dice l'autore principale Dr. Yousra Nahas (Università dell'Arkansas).

"Abbiamo scoperto che l'auto-modellazione dei domini polari ferroelettrici può essere compresa esaminando le dinamiche di non equilibrio, e che un quadro comune è quello della cinetica di separazione di fase.

"Abbiamo anche eseguito la caratterizzazione topologica, e studiato l'evoluzione del modello sotto un esterno, campo elettrico applicato, che ha rivelato il ruolo cruciale dei difetti topologici nel mediare la trasformazione del modello".

"I risultati di questo studio costruiscono una tabella di marcia (un diagramma di fase dei modelli di dominio polare) che i ricercatori possono utilizzare quando vogliono "navigare" attraverso la pluralità di fasi modulate in ferroelettrici a bassa dimensione, afferma il co-autore principale Dr. Sergei Prokhorenko (Università dell'Arkansas).

Questo studio è quindi interessante nel suo campo (fisica della materia condensata, ferroelettrici) ma potrebbe anche essere rilevante per un pubblico interdisciplinare per quanto riguarda l'universalità di concetti e risultati.

Lo studio

I ricercatori hanno studiato le caratteristiche del dominio e le evoluzioni del dominio del film sottile Pb(Zr _0,4 Ti _0.6 )O ₃ (o "PZT") attraverso modelli estesi e studi sperimentali (microscopio a forza piezorisposta).

I ricercatori hanno scoperto che:

• Il controllo del campo elettrico della densità di skyrmion provoca la conduttanza isteretica, che potrebbe essere sfruttato per il calcolo neuromorfico a stato solido
• L'ordine topologico ingegneristico nei sistemi ferroici può migliorare le proprietà funzionali basate sulla topologia.

"Topologia e controllo di modelli di dominio autoassemblati in ferroelettrici a bassa dimensione" è stato pubblicato in Comunicazioni sulla natura nel novembre 2020.