(PhysOrg.com) -- Nya egenskaper hos ferroelektriska material som upptäckts vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory flyttar forskare ett steg närmare att förverkliga ett nytt paradigm för elektronisk minneslagring.
En ny studie ledd av ORNL:s Peter Maksymovych och publicerad i American Chemical Society's Nanobokstäver avslöjade att i motsats till tidigare antaganden, domänväggar i ferroelektriska material fungerar som dynamiska ledare istället för statiska.
Domänväggar, separationszonerna är bara några få atomer breda mellan motsatta polarisationstillstånd i ferroelektriska material, är kända för att utföra, men konduktivitetens ursprung har förblivit oklart.
"Våra mätningar identifierade att subtila och mikroskopiskt reversibla förvrängningar eller veck i domänväggen är kärnan i den dynamiska konduktiviteten, ", sa Maksymovych. "Domänväggen i sitt jämviktstillstånd är inte en sann ledare som en styv bit koppartråd. När du börjar förvränga den genom att applicera ett elektriskt fält, det blir en mycket bättre dirigent."
Ferroelektrik, en unik klass av material som svarar på appliceringen av ett elektriskt fält genom att mikroskopiskt byta polarisation, används redan i applikationer inklusive ekolod, medicinsk bildbehandling, bränsleinsprutare och många typer av sensorer.
Nu, forskare vill tänja på gränserna för ferroelektrik genom att utnyttja materialens egenskaper inom områden som minneslagring och nanoelektronik. Att få en detaljerad förståelse av elektrisk konduktans i domänväggar ses som ett avgörande steg mot dessa nästa generations applikationer.
"Denna studie visar för första gången att dynamiken i dessa defekter - domänväggarna - är en mycket rikare källa till minnesfunktionalitet, " sa Maksymovych. "Det visar sig att du kan ställa in nivån på ledningsförmågan i domänväggen, gör den avstämbar, metastabil, dynamiskt minneselement."
Domänväggens avstämbara natur hänvisar till dess fördröjda svar på förändringar i konduktivitet, där avstängning av ett elektriskt fält inte ger ett omedelbart fall i konduktansen. Istället, domänväggen "minns" den sista konduktansnivån under en given tidsperiod och slappnar sedan av till sitt ursprungliga tillstånd, ett fenomen som kallas memristans. Denna typ av beteende är till skillnad från traditionell elektronik, som förlitar sig på kiseltransistorer som fungerar som på/av-brytare när elektriska fält appliceras.
"Att hitta funktionalitet som är inneboende i system i nanoskala som kan styras på ett nytt sätt är inte en väg att konkurrera med kisel, men det föreslår ett hållbart alternativ till kisel för ett nytt paradigm inom elektronik, " sa Maksymovych.
Det ORNL-ledda teamet fokuserade på vismutferritprover, men forskare förväntar sig att de observerade egenskaperna hos domänväggar kommer att gälla för liknande material.
"Det resulterande memristiva-liknande beteendet kommer sannolikt att vara allmänt för ferroelektriska domänväggar i halvledande ferroelektriska och multiferroiska material, " sa ORNL medförfattare Sergei Kalinin.
Proverna som användes i studien tillhandahölls av University of California i Berkeley. Andra författare är Arthur Baddorf från ORNL, Jan Seidel och Ramamoorthy Ramesh från Lawrence Berkeley National Laboratory och UC Berkeley, och Pennsylvania State Universitys Pingping Wu och Long-Qing Chen.
