Bildning av 180°-domäner i nanoskala i ansträngd PZTMPB tunna filmer. en ISHG-signalutveckling under den pågående tillväxten av PZTMPB på SRO-buffrad NSO (röda symboler) och vid stoppad tillväxt (svarta symboler). Insättningarna illustrerar de rådande domänkonfigurationerna under och efter tillväxt. b Ömsesidig rymdkarta (utanför planet Q⊥ vs. i planet Q||) runt NSO 420 och PZTMPB 103. PZTMPB filmen är helt spänd med en extraherad tetragonalitet c/a på 1,04. De streckade vertikala linjerna indikerar huvudtopp- och satellittopppositionerna. c Tvärsnitt vid fast Q⊥ över intensitetsfördelningen runt PZTMPB 103 reflektion. d HAADF-STEM-bild med överlagrad ferroelektrisk dipolkarta sedd längs zonaxeln [010]. De gula pilarna avslöjar närvaron av motsatt polariserade 180°-domäner avgränsade av de streckade vita linjerna. De vita pilarna representerar nettopolariseringen för varje nanodomän. Skalstång, 4 nm. Kredit:Nature Communications (2022). DOI:10.1038/s41467-022-30823-5
Ferroelektriska material har funnit utbredd användning i vardagsteknik främst på grund av deras elektriska polarisering som kan växlas mellan två distinkta tillstånd. Att övervinna den binära gränsen för ferroelektrisk utrustning för att uppnå ett godtyckligt värde av polarisationen har varit en långvarig utmaning, men har potential att avsevärt utöka omfattningen av ferroelektriska applikationer, till exempel mot neuromorf beräkning.
Modern elektronik är en digital värld, där information genereras, lagras och bearbetas i form av nollor och ettor. För att uppfylla sin funktion förlitar sig många elektroniska komponenter på material som till sin natur är binära. På magnetiska hårddiskar, till exempel, kodas information i den remanenta magnetiseringen av en ferromagnet som definieras av den välkända magnetiska hysteresen och kan anta exakt två distinkta värden. Magnetiska domäner på hårddisken (d.v.s. regioner med en enhetlig magnetisering) utgör då minnesbitar.
Även om binär elektronik utan tvekan har lett till otaliga prestationer, når de sina grundläggande storleksrelaterade gränser. Dessutom har detta binära tillvägagångssätt varit opraktiskt för att efterlikna analoga biologiska system – såsom den synaptiska överföringen i hjärnan – som lovar mycket som grunden för högeffektiv nästa generations neuromorf elektronik.
Med fokus på ferroelektrik – material med en omkopplingsbar spontan elektrisk polarisation – har forskare från Laboratory for Multifunctional Ferroic Materials och Electron Microscopy Center vid EMPA nu framgångsrikt insett kapaciteten att ställa in eventuella godtyckliga värden på polarisationen till remanens. De uppnådde detta i tunna filmer av blyzirkonattitanat (PbZrx Ti1-x O3 , kort sagt PZT) – det tekniskt mest relevanta ferroelektriska materialet som har funnit en utbredd användning, till exempel i trycksensorer eller ultraljudsenheter på grund av dess piezoelektriska egenskaper.
För att åstadkomma denna kontinuerliga omkopplingsbarhet av polarisationen kombinerade teamet två särskilda aspekter i sin designstrategi. Först fokuserade de på en kemisk sammansättning av PZT som ligger nära en fasinstabilitet, där även små elektriska fält kan inducera mycket stora materialsvar, såsom mekanisk deformation. För det andra valde de att förbereda epitaxiella filmer med en tjocklek på bara några nanometer, där spänningen som induceras av det underliggande enkristallina substratet fungerar som ett handtag för att styra den ferroelektriska domänens arkitektur.
Baserat på denna strategi förberedde forskarna filmerna med hjälp av ett atomärt exakt pulsat laseravsättningssystem utrustat med toppmoderna in-situ övervakningsverktyg och lyckades få en domänkonfiguration i PZT-filmerna bestående av slumpmässigt arrangerade nanoskopiska (≈10 nm) domäner. Överraskande fann de att appliceringen av ett elektriskt fält gör det möjligt att vända polariseringen i varje domän utan att ändra den nanometriska domänstorleken. Eftersom domänerna uppvisar en bred fördelning av omkopplingsbarriärer, var det vidare möjligt att koppla om endast en bråkdel av domänerna med ett applicerat spänningsvärde. Genom att ta ett medelvärde över en handfull domäner kunde de således stabilisera vilket värde som helst av polarisationen vid remanens mellan depolariserade och helt mättade tillstånd.
För att demonstrera den tekniska relevansen av en kontinuerlig polarisationskontroll i nanoskala utförde forskarna två proof-of-concept-experiment. För sin första applikation visade de att genom att spatialt kontrollera nätpolarisationen är det möjligt att ställa in effektiviteten för optisk frekvensfördubbling - andra övertonsgenerering - en egenskap som spelar en stor roll för fotoniska applikationer. För det andra visade de en kvasi-kontinuerlig avstämning av tunnelströmmen som flyter genom PZT-filmen beroende på nettopolarisationen. Förutom att erbjuda en oförstörande avläsning av polarisationen, öppnar denna manipulation av strömflödet spännande möjligheter för tillverkning av konstgjorda synapser.
Deras studie publiceras i Nature Communications . + Utforska vidare
