Lovande nyheter för dem som njuter av utsikterna för ett en-tums chip som lagrar flera terabyte med data, viss klarhet har bringats till den hittills förvirrande fysiken hos ferroelektriska nanomaterial. Ett multiinstitutionellt team av forskare, ledd av forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har gett de första atomära insikterna om nanokristallers ferroelektriska egenskaper. Denna information kommer att vara avgörande för utvecklingen av nästa generation av icke-flyktiga datalagringsenheter.

Arbetar med världens mest kraftfulla transmissionselektronmikroskop, forskarna kartlade de ferroelektriska strukturella distorsionerna i nanokristaller av germaniumtellurid, en halvledare, och bariumtitanat, en isolator. Dessa data kombinerades sedan med data från elektronholografisk polarisationsavbildning för att ge detaljerad information om polarisationsstrukturerna och skalningsgränser för ferroelektrisk ordning på nanoskala.

"När vi skalar ner vår enhetsteknologi från mikroskalan till nanoskalan, vi behöver en bättre förståelse för hur kritiska materialegenskaper, såsom ferroelektriskt beteende, påverkas, " säger Paul Alivisatos, chef för Berkeley Lab och en av de främsta utredarna i denna forskning. "Våra resultat ger en väg till att reda ut den grundläggande fysiken för ferroelektricitet i nanoskala på minsta möjliga storleksskala."

Alivisatos, som också är Larry och Diane Bock professor i nanoteknik vid University of California (UC) Berkeley, är motsvarande författare till en artikel som beskriver detta arbete i tidskriften Naturmaterial med titeln "Ferroelektrisk ordning i enskilda nanometerskala kristaller." Den andra motsvarande författaren är Ramamoorthy Ramesh, en senior vetenskapsman vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och Plato Malozemoff professor i materialvetenskap och fysik för UC Berkeley.

Ferroelektricitet är egenskapen genom vilken material kan polariseras elektriskt, vilket innebär att de kommer att vara orienterade till förmån för antingen en positiv eller negativ elektrisk laddning. Denna polarisation kan vändas med applicering av ett externt elektriskt fält, en egenskap som kan utnyttjas för icke -flyktig datalagring, liknar användningen av ferromagnetiska material idag men använder mycket mindre, mycket tätare packade enheter.

"Även om stora framsteg har gjorts mot att förstå fotofysiska magnetiska och andra funktionella egenskaper i nanoskala, förståelsen av ferroelektriska nanomaterials grundläggande fysik är fortfarande mycket mindre avancerad, " säger co-rektor utredare Ramesh, som tillskriver motstridiga rapporter om ferroelektricitet i nanoskala delvis till bristen på hög kvalitet, nanokristaller av ferroelektriska material som har väldefinierade storlekar, former och ytor.

"Ett annat problem har varit beroendet av ensemblemätningar snarare än enstaka partikeltekniker, " säger han. "Statistiskt genomsnittliga mättekniker tenderar att skymma de fysiska mekanismerna som är ansvariga för djupgående förändringar i ferroelektriskt beteende inom individuella nanokristaller."

Det Berkeley Lab-ledda forskarteamet kunde kartlägga ferroelektriska strukturella distorsioner inom individuella nanokristaller tack vare den oöverträffade förmågan hos TEAM I, som ligger på Berkeley Labs nationella centrum för elektronmikroskopi (NCEM). TEAM står för "Transmission Electron Aberration-corrected Microscope". TEAM I kan lösa upp bilder av strukturer med dimensioner så små som en halv ångström – mindre än diametern på en enda väteatom.

Kartorna som producerades av TEAM I över ferroelektriska distorsionsmönster inom de starkt ledande germaniumtellurid-nanokristallerna jämfördes sedan med elektronholografistudier av isolerande nanokuber av bariumtitanat, som utfördes av medarbetare vid Brookhaven National Laboratory (BNL).

"Elektronholografi är en interferometriteknik som använder koherenta elektronvågor, " sa BNL fysiker och medförfattare till Naturmaterial papper Myung-Geun Han. "Att avfyra fokuserade elektronvågor genom det ferroelektriska provet skapar vad som kallas en fasförskjutning, eller ett interferensmönster som avslöjar detaljer om den riktade strukturen. Detta producerar ett elektronhologram, som vi kan använda för att direkt se lokala elektriska fält för enskilda ferroelektriska nanopartiklar."

Dessa kombinerade studier möjliggjorde oberoende undersökning av depolariserande fält- och ytstrukturpåverkan och möjliggjorde därigenom forskargruppen att identifiera de grundläggande faktorerna som styr karaktären av det ferroelektriska polariserade tillståndet vid ändliga dimensioner. Resultaten indikerar att ett ferroelektriskt monodomäntillstånd med linjärt ordnad polarisation förblir stabilt i dessa nanokristaller ner till dimensioner på mindre än 10 nanometer. Också, rumstemperaturpolarisationsvändning visades ner till dimensioner på cirka fem nanometer. Under denna tröskel, det ferroelektriska beteendet försvann. Detta indikerar att fem nanometer sannolikt är en storleksgräns för datalagringsapplikationer, uppger författarna.

"Vi visade också att ferroelektrisk koherens underlättas delvis av kontroll av partikelmorfologi, som tillsammans med elektrostatiska gränsförhållanden visar sig bestämma den rumsliga omfattningen av kooperativa ferroelektriska distorsioner, "Säger Ramesh." Sammantaget våra resultat ger en glimt av de strukturella och elektriska manifestationerna av ferroelektricitet ner till dess yttersta gränser."