Lacroix Les matériaux antiferroélectriques ont des propriétés électriques qui les rendent avantageux pour une utilisation dans des purposes de stockage d’énergie à haute densité. Les chercheurs ont maintenant découvert un seuil de taille au-delà duquel les antiferroélectriques perdent ces propriétés, devenant ferroélectriques.
ce qui rend de moreover en additionally crucial pour nous de comprendre remark les propriétés d’un matériau peuvent changer à petite échelle”, explique Ruijuan Xu, auteur correspondant d’un article sur le travail et professeur adjoint de science et d’ingénierie des matériaux. à l’Université d’État de Caroline du Nord. “Dans ce cas. ces matériaux passent par une transition de section et deviennent ferroélectriques. Cela les rend moins utiles pour le stockage d’énergie.”
Cette recherche s’est concentrée sur les matériaux antiferroélectriques. Ces matériaux ont une framework cristalline, ce qui signifie qu’ils sont constitués d’unités se répétant régulièrement. Chaque unité répétitive dans la framework cristalline a un “dipôle” – une charge constructive associée à une charge négative. Ce qui rend les matériaux antiferroélectriques spéciaux, c’est que ces dipôles alternent d’une unité à l’autre dans toute la framework. En d’autres termes, si une unité a une demand favourable en « haut » et une cost négative en « bas », alors l’unité suivante aura la demand good en « bas » et la demand négative en « haut ». Cet espacement régulier des dipôles signifie également qu’à l’échelle macroscopique, les matériaux antiferroélectriques n’ont pas de polarisation positive ou négative.
Les matériaux ferroélectriques ont également une structure cristalline. Mais dans les ferroélectriques, les dipôles des unités répétitives pointent tous dans la même course. De furthermore.
Pour explorer comment les propriétés d’un matériau antiferroélectrique peuvent changer à petite échelle, les chercheurs se sont concentrés sur les membranes de niobate de sodium sans plomb (NaNbO3).
Des couches minces antiferroélectriques sont développées sur un substrat. Les tentatives précédentes pour évaluer les effets potentiels liés à la taille sur les movies minces antiferroélectriques ont porté sur les movies minces alors que les movies sont encore attachés à la couche de substrat. Cela pose des défis importants, car or truck il existe des “contraintes” où le film mince est fortement connecté au substrat – et il est difficile d’évaluer quels effets sont liés à la taille du movie mince et quels effets sont causés par les contraintes liées au substrat.
“Pour relever ce défi, nous avons introduit une couche tampon sacrificielle entre le movie mince antiferroélectrique et le substrat”, explique Xu. “Une fois que nous avons fait croître le movie mince jusqu’à l’épaisseur souhaitée, nous avons sélectivement gravé la couche sacrificielle. Cela nous a permis de détacher le movie mince du substrat. En fin de compte, cela nous a permis de déterminer remark tout changement dans le movie mince est affecté par son taille, vehicle nous savions que le substrat ne contribuait à aucun changement.”
“Les résultats étaient assez inattendus”, dit Xu.
“Nous savons qu’à l’échelle atomique, les matériaux antiferroélectriques – comme les membranes de NaNbO3 sans plomb – ont des dipôles alternés dans tout le matériau. Nous avons constaté que lorsque les membranes de NaNbO3 étaient plus minces que 40 nm, elles devenaient complètement ferroélectriques. Et à partir de 40 nm à 164 nm, nous avons constaté que le matériau avait certaines régions qui étaient ferroélectriques, tandis que d’autres régions étaient antiferroélectriques.”
En utilisant leurs données expérimentales.
“L’une des choses passionnantes que nous avons découvertes était que lorsque les couches minces se trouvaient dans la plage où il y avait à la fois des régions ferroélectriques et antiferroélectriques. explique Xu. “Et ce changement n’était pas réversible. En d’autres termes, nous pourrions rendre le film mince complètement ferroélectrique à des épaisseurs allant jusqu’à 164 nm.”
Les chercheurs ont également pu tirer des conclusions sur ce qui motive ces changements dans le matériau antiferroélectrique.
nous avons pu conclure que les changements de stage que nous observons dans les matériaux antiferroélectriques exceptionnellement minces sont entraînés par une distorsion structurelle qui start à la floor de la membrane”, explique Xu.
En d’autres termes, les instabilités à la surface area ont un effet d’entraînement qui traverse tout le matériau, ce qui n’est pas feasible lorsque le quantity du matériau est plus élevé. C’est ce qui empêche les matériaux antiferroélectriques de devenir ferroélectriques à plus grande échelle.
mais notre travail offre des informations importantes sur la façon dont nous pouvons contrôler les propriétés d’un matériau en tirant parti des effets de taille”, déclare Xu. “Nous avons démontré des effets de taille significatifs dans NaNbO3.”
L’article, “Dimensions-Induced Ferroelectricity in Antiferroelectric Oxide Membranes”, est publié en libre accès dans la revue Superior Materials. L’article a été co-écrit par Yin Liu, professeur adjoint de science et d’ingénierie des matériaux à NC Point out Kevin Crust, Varun Harbola, Woo Jin Kim, Aarushi Khandelwal, Harold Hwang, Melody Wang et X. Wendy Gu de l’Université de Stanford Rémi Arras de l’Université de Toulouse Kinnary Patel, Sergey Prosandeev et Laurent Bellaiche de l’Université de l’Arkansas Hui Cao et Hua Zhou du Laboratoire nationwide d’Argonne Yu-Tsun Shao et David Muller de l’Université Cornell Piush Behera, Megha Acharya et Lane Martin de l’Université de Californie à Berkeley Lucas Caretta de l’Université Brown Edward Barnard et Archana Raja du Laboratoire countrywide Lawrence Berkeley et Ramamoorthy Ramesh de l’Université Rice. Ruijuan Xu, Kevin Crust et Varun Harbola ont contribué à pieces égales à ce travail.
Le travail a été réalisé avec le soutien du département américain de l’énergie sous le numéro de subvention DE-AC02-76SF00515 le bureau de recherche de l’armée américaine dans le cadre de l’ETHOS MURI, by means of l’accord de coopération W911NF-21-2-0162 et l’US Air Power Workplace of Scientific Research Hybrid Resources MURI, sous le numéro d’attribution. FA9550-18-1-0480.
