Varför visar vissa ferroelektriska material bubbelformade mönster, medan andra uppvisar komplexa, labyrintiska mönster?

En FLEET-studie finner att svaret på de förändrade mönstren i ferroelektriska filmer ligger i icke-jämviktsdynamik, med topologiska defekter som driver efterföljande evolution.

Ferroelektriska material kan betraktas som en elektrisk analogi till ferromagnetiska material, med deras permanenta elektriska polarisation som liknar nord- och sydpolen på en magnet.

Att förstå fysiken bakom deras domänmönsterförändringar är avgörande för att designa avancerad ferroelektrisk lågenergielektronik, eller hjärninspirerad neuromorphic computing.

Labyrint vs bubblor:vilka mönster avslöjar

De karakteristiska domänmönstren för ferroelektriska tunnfilmsmaterial påverkas starkt av typen av material, och genom filmkonfigurationen (substrat, elektrod, tjocklek, strukturera, etc).

"Vi ville förstå vad som driver framväxten av ett mönster snarare än ett annat, " förklarar Dr. Qi (Peggy) Zhang (UNSW), som ledde experiment vid UNSW.

"Till exempel:vad driver bildandet av mosaikformade domänmönster, istället för labyrintformad mönstring. Och varför skulle driva en efterföljande förändring till bubbelformad mönstring."

Forskargruppen letade efter ett gemensamt ramverk eller en färdplan för att driva sådana domänarrangemang.

"Finns det en topologisk signatur i dessa stater? Är deras topologi utvecklande? Och om ja, hur så? Det här är de typer av svar vi sökte, " säger huvudförfattaren Dr. Yousra Nahas (University of Arkansas).

"Vi fann att självmönster av ferroelektriska polära domäner kan förstås genom att undersöka icke-jämviktsdynamiken, och att ett gemensamt ramverk är fasseparationskinetiken.

"Vi utförde också topologisk karakterisering, och studerade mönsterutveckling under en extern, pålagt elektriskt fält, som avslöjade den avgörande rollen av topologiska defekter för att förmedla mönstertransformationen."

"Resultaten av denna studie bygger en färdplan (ett fasdiagram över polära domänmönster) som forskare kan använda när de vill "navigera" genom mångfalden av modulerade faser i lågdimensionell ferroelektrik, säger co-lead författare Dr Sergei Prokhorenko (University of Arkansas).

Denna studie är därför intressant inom sitt eget område (fysik av kondenserad materia, ferroelektrik) men kan också vara relevant för en tvärvetenskaplig publik när det gäller begreppens och resultatens universalitet.

Studien

Forskare undersökte domänegenskaper och domänutveckling av tunnfilm Pb(Zr _0,4 Ti _0,6 )O ₃ (eller "PZT") genom omfattande modellering och experimentell studie (piezoresponskraftmikroskop).

Forskarna fann att:

• Elektrisk fältkontroll av skyrmiondensitet framkallar hysteretisk konduktans, som skulle kunna utnyttjas för solid-state neuromorphic computing
• Teknisk topologisk ordning i ferroiska system kan förbättra funktionella topologiskt baserade egenskaper.

"Topologi och kontroll av självmonterade domänmönster i lågdimensionell ferroelektrik" publicerades i Naturkommunikation i november 2020.