Observation av fristående ferroelektriska bubbeldomäner med högupplöst piezoresponskraftmikroskopi:De två blåvita fläckarna (4 nm radie) på höger sida av bilden indikerar bubblor. Kredit:Argonne National Laboratory.)
När en trollkarl plötsligt drar en duk från ett bord lastat med tallrikar och glas blir det en stund av spänning när publiken undrar om scenen snart kommer att vara full av krossat glas. Hittills har ett liknande dilemma ställts inför forskare som arbetar med speciella elektriska bubblor för att skapa nästa generation av flexibla mikroelektroniska och energilagringsenheter.
Forskare vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory har upptäckt ett nytt sätt att göra en atomär version av bordsdukstricket genom att skala av heterostrukturtunna filmer som innehåller elektriska bubblor från ett visst underliggande material, eller substrat, samtidigt som de behålls helt intakt. Upptäckten kan föra oss ett steg närmare en mängd applikationer som förlitar sig på dessa ovanliga och spröda strukturer.
"Du kan tänka på det som att försöka ta bort ett hus från dess grund. Normalt skulle du tro att huset skulle kollapsa, men vi fann att det behöll alla sina egenskaper", säger Saidur Bakaul, materialforskare i Argonne
"Bubblorna är mycket ömtåliga och behöver till en början särskilda underliggande material, så kallade substrat, och specifika förhållanden för att kunna växa filmer med dem i", säger Argonne materialforskare Saidur Bakaul. "Det finns många material av intresse för oss som dessa bubblor kan vara extremt användbara för, som plast. Vi har dock inte kunnat odla dem direkt på dessa material. Vår forskning är det första steget för att göra bubblor möjliga där."
De elektriska bubblorna finns i en trelagers ultratunn struktur med alternerande elektriska egenskaper:ferroelektrisk, sedan dielektrisk, sedan ferroelektrisk igen. Bubblorna i denna flerskiktsstruktur är gjorda av specialbeställda dipoler, eller tvinnade elektriska laddningar. Orienteringen av dessa dipoler är baserad på den lokala töjningen i materialet och laddningar på ytan som gör att dipolerna söker sig till sitt relativt lägsta energitillstånd. Så småningom bildas de elektriska bubblorna (bubbeldomänerna) men bara när vissa villkor är uppfyllda. De förvrängs också lätt av även små krafter.
I experimentet odlade Bakauls kollegor vid University of New South Wales först bubblorna i en ultratunn heterostrukturfilm på ett strontiumtitanatsubstrat - ett av de enklaste materialen att skapa dem på. Sedan stod Bakaul inför utmaningen att ta bort heterostrukturen från substratet samtidigt som bubblorna bibehölls. "Du kan tänka på det som att försöka ta bort ett hus från dess grund", sa han. "Normalt skulle man tro att huset skulle kollapsa, men vi fann att det behöll alla sina egenskaper."
Bubbeldomäner är små. De är bara cirka 4 nanometer i radie - precis lika breda som en mänsklig DNA-sträng. Därför är de svåra att se. Inom Argonnes Materials Science-avdelning gör avancerade scanning-sondmikroskopitekniker med Fourier-transformanalys det möjligt för forskare att inte bara se dem utan också kvantifiera deras egenskaper i de fristående filmerna.
För att fastställa att bubbeldomänerna förblev intakta, mätte Bakaul deras elektroniska (kapacitans) och piezoelektriska egenskaper genom två mikroskopitekniker:skanningsmikrovågsimpedansmikroskopi och piezoresponskraftsmikroskopi. Om bubblorna hade sönderfallit skulle kapacitansen ha ändrats under en pålagd spänning, men Bakaul såg att den höll sig relativt stabil upp till en ganska hög spänning.
Dessa experiment validerade numeriska uppskattningar av kapacitans erhållna från teoretiska analyser som Bakaul och hans student utvecklade genom att kombinera atomistiska simuleringar med kretsteori. "Kombinationen av experiment och simulering bevisade definitivt att dessa bubblor är kapabla att leva även när de tas bort från det ursprungliga substratet. Det var något vi hade hoppats på att uppnå under lång tid," sa Bakaul.
När bubblorna togs bort fick heterostrukturfilmen – som tidigare låg platt som en duk – plötsligt ett vågigt utseende. Medan Bakaul noterade att många kan anta att denna förändring skulle försämra bubblornas egenskaper, fann han att bubblorna faktiskt skyddades av en förändring i materialens inbyggda spänning. Atomistiska simuleringar gjorda av Bakauls kollegor vid University of Arkansas antydde att den elastiska energin vid de fria gränssnitten är ursprunget till rippelbildningen.
Resultatet är spännande, enligt Bakaul, eftersom dessa bubblor har ovanliga och spännande elektriska och mekaniska egenskaper. "Ferroelektriska bubblor är nyupptäckta föremål i nanoskala," sa han. "Det finns en enighet i samhället om att de kan ha många tillämpningar. Omvandling av dessa bubblor resulterar till exempel i en ovanligt hög elektromekanisk respons, som kan ha tillämpningar i ett stort antal enheter inom mikroelektronik och energitillämpningar."
Även om det är fysik och inte magi som har skapat en potentiell ny väg för integrationen av dessa bubblor, indikerade Bakaul att ny teknik baserad på dem kan ha en transformativ inverkan. "Oavsett om vi diskuterar energiskördare eller superdatorer, kan dessa bubblor göra stor skillnad för många olika material och applikationer", sa han.
En artikel baserad på forskningen publicerades i numret av Advanced Materials. den 19 september + Utforska vidare
