De egenskaper som gör material som halvledare så eftertraktade beror på hur deras atomer är anslutna, och insikt i dessa atomära konfigurationer kan hjälpa forskare att designa nya material eller använda befintliga material på nya, oförutsedda sätt.

Rice Universitys materialforskare Yimo Han och medarbetare har nu kartlagt de strukturella egenskaperna hos ett 2D-ferroelektriskt material tillverkat av tenn- och selenatomer, och visar hur domäner – områden av materialet där molekylerna är identiskt orienterade – påverkar materialets beteende.

"Ferroelektriska material används i stor utsträckning i applikationer som minnen och sensorer, och de kommer sannolikt att bli allt mer användbara för att bygga nästa generations nanoelektronik och in-memory computing", säger Chuqiao Shi, en Rice-student i Han-labbet och huvudförfattare på studien publicerad i Nature Communications. "Det beror på att ferroelektriska 2D-material har anmärkningsvärda egenskaper och kännetecknas av sin tunna atomära och förbättrade integrationsförmåga."

I ferroelektriska material är molekyler polariserade, och de segregerar och anpassar sig också baserat på polarisering. Dessutom ändrar 2D-ferroelektrik form som svar på elektriska stimuli - ett fenomen som kallas invers flexoelektricitet. I tenn-selenkristallen som är i fokus för denna forskning, organiserar sig molekyler i fläckar eller domäner, och den flexoelektriska effekten får dessa att röra sig, vilket ger upphov till strukturella förändringar i materialet som påverkar dess egenskaper och beteende.

"Det är verkligen viktigt att vi förstår det intrikata förhållandet mellan atomstruktur och elektrisk polarisation, vilket är en kritisk egenskap i ferroelektriska material," säger Han, biträdande professor i materialvetenskap och nanoteknik. "Denna domänberoende struktur kan vara mycket användbar för ingenjörer att ta reda på hur man bäst använder materialet och förlita sig på dess egenskaper för att designa applikationer."

Till skillnad från konventionell ferroelektrik där atomer är bundna av ett styvt gitter, i tenn-selenitkristallen som studerats av Han och Shi, är krafterna som binder samman atomerna svagare, vilket ger atomgittret en mer smidig och böjlig kvalitet.

"Materialet tillhör en speciell klass av 2D-material som kallas van der Waals ferroelektriker, vars egenskaper kan tjäna till att designa nästa generations, ultratunna datalagringsenheter och sensorer," sa Shi. "Van der Waals krafter är svagare än kemiska bindningar - de är samma typ av krafter som gör att geckos kan trotsa gravitationen och klättra på väggar.

"De mjuka gittren i planet i detta 2D-material i kombination med relativt svagare mellanskikts van der Waals-krafter ger upphov till ett unikt strukturellt landskap. Dessa distinkta strukturella egenskaper genererar effekter exklusiva för 2D-ferroelektrik som saknas i deras bulkmotsvarigheter."

Den större graden av flexibilitet eller frihet hos atomgittret i 2D van der Waals ferroelektrik gör det svårare att kartlägga förhållandet mellan polarisation och materialstruktur.

"I vår studie utvecklade vi en ny teknik som gör att vi kan titta på både töjning i planet och staplingsordning utanför planet samtidigt, vilket är något konventionella undersökningar av detta material inte kunde göra tidigare," sa Han. "Våra resultat kommer att revolutionera domänteknik inom 2D van der Waals ferroelektrik och positionera dem som grundläggande byggstenar i utvecklingen av avancerade enheter för framtiden," sa Han.

Rättningsnotering (12/7/2023):I punkt 4 har "flexoelectricity" uppdaterats till "invers flexoelectricity" för noggrannhet."

Mer information: Chuqiao Shi et al, Domain-dependent strain and stacking in two-dimensional van der Waals ferroelectrics, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42947-3

Journalinformation: Nature Communications

Tillhandahålls av Rice University