I ferroelettrici Hafnia si basano sulla loro promessa tecnica e su comportamenti notevoli, dove le peculiarità derivano da un meccanismo estrinseco attivo che contribuisce alle loro proprietà da un numero crescente di nuove caratteristiche intrinseche.
A causa della loro natura non convenzionale, le domande fondamentali sui materiali rimangono aperte. In un nuovo rapporto pubblicato in Communications Materials , Hugo Aramberri, Jorge Iniguez e un team di ricercatori nel campo della ricerca sui materiali, della scienza e della fisica in Lussemburgo, hanno utilizzato simulazioni del primo principio per mostrare come l'adozione di una fase di riferimento originale e ad alta simmetria abbia portato allo sviluppo di una fase di riferimento matematicamente semplice e fisicamente trasparente trattamento dello stato ferroelettrico di Hafnia. Il lavoro ha fornito rivelazioni più approfondite sui ferroelettrici Hafnia per ottimizzare le loro proprietà e indurre nuove proprietà.
I ferroelettrici Hafnia hanno molte promesse tecniche e proprietà sorprendenti grazie alle loro nanostrutture e alla risposta piezoelettrica sintonizzabile. Resta da comprendere il comportamento di tali materiali; tuttavia, la maggior parte dei fattori intrinseci ed estrinseci influenzano le proprietà osservate. Questi includono le caratteristiche intrinseche dei cristalli perfetti.
Sulla base di simulazioni basate sui principi primi, Aramberri e il team hanno dimostrato l'esistenza di uno stato ferroelettrico e ne hanno rivelato le proprietà. La ferroelettricità nell'afnia mostra la fase ferroelettrica con quattro diversi domini nei campioni di afnia.
Durante il ciclo di risveglio, l'afnia si comporta come un materiale biassiale ferroelastico che richiede una teoria basata su una struttura di riferimento tetragonale ad alta simmetria. I campioni di afnia e zirconia "risvegliati" presentano una coesistenza di fasi, incluso lo stato ferroelastico o-III, il noto stato fondamentale monoclino e altri polimorfi ortorombici. Tali polimorfi sono separati da confini di larghezza zero.
La natura della ferroelettricità di Hafnia
Hafnia ha mostrato caratteristiche tipiche dei ferroelettrici con ampi campi coercitivi e resilienza dell'ordine polare su scala nanometrica. I ricercatori avevano precedentemente notato una forte anomalia dielettrica in cui il riscaldamento dell'afnia provocava una transizione di fase ferroelettrica, proprio come i veri ferroelettrici come il titanato di bario con elevata permissività.
Le simulazioni della teoria del funzionale della densità dell'ossido di bario e titanio hanno presentato le caratteristiche distintive della ferroelettricità. I risultati fanno luce anche sulle possibili transizioni tra polimorfi stabili di afnia e variazioni dei suoi dettagli strutturali.
Per studiare la commutazione ferroelettrica e le transizioni guidate dal campo nell'afnia e nella zirconia, Aramberri e il team hanno costruito uno stato di riferimento teorico come punto di partenza per facilitare il riferimento di tutti gli stati intermedi rilevanti.
Durante gli esperimenti, il team ha condotto studi utilizzando la teoria del funzionale della densità dei principi primi e ha calcolato la polarizzazione utilizzando una moderna teoria della polarizzazione. Per l'analisi della simmetria, hanno utilizzato strumenti cristallografici standard basati sul web e hanno visualizzato le rappresentazioni strutturali delle strutture utilizzando modelli di diffrazione dei raggi X.
Prospettive
In questo modo, Hugo Aramberri, Jorge Iniguez e il team hanno introdotto un quadro teorico per modellare le proprietà funzionali della fase ferroelettrica più comune di afnia e zirconia, che includeva commutazione, transizioni guidate dal campo e risposte elettromeccaniche.
Il team ha fatto affidamento su un ordine ferroico uniassiale che ha interessato molti di questi campioni. Gli scienziati hanno discusso l'impatto del fenomeno su diversi trattamenti, i cui risultati hanno fornito un quadro semplice ma completo del panorama energetico rilevante di afnia e zirconia che collegavano naturalmente tutti i polimorfi a bassa energia.
Il riferimento proposto è un punto di partenza ideale, dagli studi teorici e computazionali alla concezione di nuovi esperimenti e alla loro ottimizzazione.
Ulteriori informazioni: Hugo Aramberri et al, Approccio teorico alla ferroelettricità nell'afnia e nei materiali correlati, Materiali per le comunicazioni (2023). DOI:10.1038/s43246-023-00421-z
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