Formazione di domini a 180° su scala nanometrica in PZTMPB tesi film sottili. un'evoluzione del segnale ISHG durante la crescita in corso di PZTMPB su NSO con buffer SRO (simboli rossi) e a crescita interrotta (simboli neri). Gli inserti illustrano le configurazioni di dominio prevalenti durante e dopo la crescita. b Mappa spaziale reciproca (fuori piano Q⊥ vs. nel piano Q||) intorno a NSO 420 e PZTMPB 103. Il PZTMPB il film è completamente teso con una tetragonalità estratta c/a di 1,04. Le linee verticali tratteggiate indicano le posizioni del picco principale e del picco del satellite. c Sezione trasversale a Q⊥ fissa attraverso la distribuzione di intensità attorno al PZTMPB 103 riflessione. d Immagine HAADF-STEM con mappa del dipolo ferroelettrico sovrapposta vista lungo l'asse della zona [010]. Le frecce gialle rivelano la presenza di domini a 180° polarizzati opposti delimitati dalle linee bianche tratteggiate. Le frecce bianche rappresentano la polarizzazione netta di ciascun nanodominio. Barra della scala, 4 nm. Credito:Comunicazioni sulla natura (2022). DOI:10.1038/s41467-022-30823-5
I materiali ferroelettrici hanno trovato un uso diffuso nella tecnologia quotidiana principalmente a causa della loro polarizzazione elettrica che può essere commutata tra due stati distinti. Il superamento del limite binario dei ferroelettrici per ottenere qualsiasi valore arbitrario della polarizzazione è stata una sfida di lunga data, ma ha il potenziale per espandere notevolmente l'ambito delle applicazioni ferroelettriche, ad esempio verso il calcolo neuromorfico.
L'elettronica moderna è un mondo digitale, in cui le informazioni vengono generate, archiviate ed elaborate sotto forma di zero e uno. Pertanto, per svolgere la loro funzione molti componenti elettronici si affidano a materiali che sono intrinsecamente binari. Negli hard disk magnetici, ad esempio, l'informazione è codificata nella magnetizzazione residua di un ferromagnete che è definito dalla ben nota isteresi magnetica e può assumere esattamente due valori distinti. I domini magnetici nel disco rigido (cioè le regioni con una magnetizzazione uniforme) costituiscono quindi bit di memoria.
Sebbene l'elettronica binaria abbia indubbiamente portato a innumerevoli risultati, stanno raggiungendo i loro limiti fondamentali legati alle dimensioni. Inoltre, questo approccio binario non è stato pratico per imitare i sistemi biologici analogici, come la trasmissione sinaptica nel cervello, che sono molto promettenti come base per l'elettronica neuromorfica di prossima generazione altamente efficiente.
Concentrandosi sui materiali ferroelettrici con una polarizzazione elettrica spontanea commutabile, i ricercatori del Laboratorio per i materiali ferrosi multifunzionali e del Centro di microscopia elettronica dell'EMPA hanno ora realizzato con successo la capacità di impostare qualsiasi valore arbitrario della polarizzazione come residuo. Hanno ottenuto questo risultato in film sottili di titanato di zirconato di piombo (PbZrx Ti1-x O3 , in breve PZT)—il materiale ferroelettrico tecnologicamente più rilevante che ha trovato un uso diffuso, ad esempio nei sensori di pressione o nei dispositivi a ultrasuoni a causa delle sue proprietà piezoelettriche.
Per realizzare questa continua commutabilità della polarizzazione, il team ha combinato due aspetti particolari nel loro approccio progettuale. In primo luogo, si sono concentrati su una composizione chimica del PZT che si trova vicino a un'instabilità di fase, in cui anche piccoli campi elettrici possono indurre risposte di materiali molto grandi, come la deformazione meccanica. In secondo luogo, hanno scelto di preparare film epitassiali con uno spessore di pochi nanometri, dove la deformazione indotta dal substrato monocristallino sottostante funge da maniglia per controllare l'architettura del dominio ferroelettrico.
Sulla base di questa strategia, i ricercatori hanno preparato i film utilizzando un sistema di deposizione laser pulsato atomicamente preciso dotato di strumenti di monitoraggio in situ all'avanguardia e sono riusciti a ottenere una configurazione di dominio nei film PZT costituita da nanoscopici disposti casualmente (≈10 nm) domini. Sorprendentemente, hanno scoperto che l'applicazione di un campo elettrico consente di invertire la polarizzazione in ciascun dominio senza modificare la dimensione del dominio nanometrico. Poiché i domini presentano un'ampia distribuzione di barriere di commutazione, è stato inoltre possibile commutare solo una frazione dei domini con un valore di tensione applicato. Pertanto, facendo la media su una manciata di domini, sono stati in grado di stabilizzare qualsiasi valore della polarizzazione alla rimanenza tra stati depolarizzati e completamente saturi.
Per dimostrare la rilevanza tecnologica di un controllo continuo della polarizzazione su nanoscala, i ricercatori hanno eseguito due esperimenti di prova del concetto. Per la loro prima applicazione, hanno dimostrato che controllando spazialmente la polarizzazione netta è possibile regolare l'efficienza per il raddoppio della frequenza ottica, la generazione della seconda armonica, una proprietà che svolge un ruolo importante per le applicazioni fotoniche. In secondo luogo, hanno dimostrato una sintonizzabilità quasi continua della corrente del tunnel che scorre attraverso il film PZT a seconda della polarizzazione netta. Oltre a offrire una lettura non distruttiva della polarizzazione, questa manipolazione del flusso di corrente apre interessanti possibilità per la fabbricazione di sinapsi artificiali.
Il loro studio è pubblicato su Nature Communications . + Esplora ulteriormente
