Notizie promettenti per coloro che apprezzano le prospettive di un chip da un pollice che memorizza più terabyte di dati, è stata apportata una certa chiarezza alla fisica finora confusa dei nanomateriali ferroelettrici. Un team multi-istituzionale di ricercatori, guidato da scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ha fornito le prime informazioni su scala atomica sulle proprietà ferroelettriche dei nanocristalli. Queste informazioni saranno fondamentali per lo sviluppo della prossima generazione di dispositivi di archiviazione dati non volatili.

Lavorando con il microscopio elettronico a trasmissione più potente al mondo, i ricercatori hanno mappato le distorsioni strutturali ferroelettriche nei nanocristalli di tellururo di germanio, un semiconduttore, e titanato di bario, un isolante. Questi dati sono stati quindi combinati con i dati dell'imaging di polarizzazione olografica elettronica per fornire informazioni dettagliate sulle strutture di polarizzazione e sui limiti di scala dell'ordine ferroelettrico su scala nanometrica.

"Mentre riduciamo la nostra tecnologia dei dispositivi dalla microscala alla nanoscala, abbiamo bisogno di una migliore comprensione di come le proprietà dei materiali critiche, come il comportamento ferroelettrico, sono colpiti, "dice Paolo Alivisatos, direttore del Berkeley Lab e uno dei principali ricercatori in questa ricerca. "I nostri risultati forniscono un percorso per svelare la fisica fondamentale della ferroelettricità su scala nanometrica alle scale di dimensioni più piccole possibili".

Alivisato, che è anche Larry and Diane Bock Professor of Nanotechnology presso l'Università della California (UC) Berkeley, è un autore corrispondente di un articolo che descrive questo lavoro sulla rivista Materiali della natura intitolato "Ordine ferroelettrico in singoli cristalli su scala nanometrica". L'altro autore corrispondente è Ramamoorthy Ramesh, uno scienziato senior con la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e il professore di scienza e fisica dei materiali Plato Malozemoff per UC Berkeley.

La ferroelettricità è la proprietà per cui i materiali possono essere polarizzati elettricamente, il che significa che saranno orientati a favore di una carica elettrica positiva o negativa. Questa polarizzazione può essere capovolta con l'applicazione di un campo elettrico esterno, una proprietà che potrebbe essere sfruttata per l'archiviazione non volatile dei dati, simile all'uso di materiali ferromagnetici oggi ma utilizzando molto più piccolo, dispositivi molto più densamente imballati.

"Sebbene siano stati compiuti molti progressi verso la comprensione delle proprietà magnetiche fotofisiche su scala nanometrica e di altre proprietà funzionali, la comprensione della fisica di base dei nanomateriali ferroelettrici rimane molto meno avanzata, "dice il co-investigatore principale Ramesh, che attribuisce rapporti contraddittori sulla ferroelettricità su scala nanometrica in parte alla mancanza di alta qualità, nanocristalli di materiali ferroelettrici che presentano dimensioni ben definite, forme e superfici.

"Un altro problema è stato l'affidarsi a misurazioni di insieme piuttosto che a tecniche di singole particelle, " dice. "Le tecniche di misurazione statisticamente medie tendono a oscurare i meccanismi fisici responsabili di profondi cambiamenti nel comportamento ferroelettrico all'interno dei singoli nanocristalli".

Il team di ricerca guidato dal Berkeley Lab è stato in grado di mappare le distorsioni strutturali ferroelettriche all'interno dei singoli nanocristalli grazie alle capacità senza precedenti di TEAM I, che è ospitato presso il National Center for Electron Microscopy (NCEM) del Berkeley Lab. TEAM sta per "microscopio corretto per l'aberrazione elettronica a trasmissione". TEAM Posso risolvere immagini di strutture con dimensioni piccole come mezzo angstrom, meno del diametro di un singolo atomo di idrogeno.

Le mappe prodotte al TEAM I dei modelli di distorsione ferroelettrica all'interno dei nanocristalli di tellururo di germanio altamente conduttivi sono state quindi confrontate con studi di olografia elettronica di nanocubi isolanti di titanato di bario, che sono stati eseguiti da collaboratori del Brookhaven National Laboratory (BNL).

"L'olografia elettronica è una tecnica di interferometria che utilizza onde elettroniche coerenti, " ha detto il fisico BNL e co-autore del Materiali della natura carta Myung-Geun Han. "Sparare onde elettroniche focalizzate attraverso il campione ferroelettrico crea quello che viene chiamato uno sfasamento, o un modello di interferenza che rivela i dettagli della struttura mirata. Questo produce un ologramma elettronico, che possiamo usare per vedere direttamente i campi elettrici locali delle singole nanoparticelle ferroelettriche".

Questi studi combinati hanno consentito l'esame indipendente delle influenze del campo depolarizzante e della struttura superficiale e quindi hanno permesso al team di ricerca di identificare i fattori fondamentali che governano la natura dello stato polarizzato ferroelettrico a dimensioni finite. I risultati indicano che uno stato ferroelettrico monodominio con polarizzazione ordinata linearmente rimane stabile in questi nanocristalli fino a dimensioni inferiori a 10 nanometri. Anche, Il flipping della polarizzazione a temperatura ambiente è stato dimostrato fino a dimensioni di circa cinque nanometri. Al di sotto di questa soglia, comportamento ferroelettrico scomparso. Ciò indica che cinque nanometri è probabilmente un limite di dimensione per le applicazioni di archiviazione dei dati, affermano gli autori.

"Abbiamo anche dimostrato che la coerenza ferroelettrica è facilitata in parte dal controllo della morfologia delle particelle, che insieme alle condizioni al contorno elettrostatiche determina l'estensione spaziale delle distorsioni ferroelettriche cooperative, " dice Ramesh. "Presi insieme, i nostri risultati forniscono uno sguardo sulle manifestazioni strutturali ed elettriche della ferroelettricità fino ai suoi limiti ultimi."