Fizycy odkrywają „wir 3D” zerowymiarowej ferroelektryczności

Naukowcy z Koreańskiego Instytutu Nauki i Technologii we współpracy z wieloma instytucjami potwierdzili eksperymentalnie trójwymiarowy rozkład polaryzacji w kształcie wiru wewnątrz nanocząstek fotowoltaicznych. Za pomocą atomowej tomografii elektronowej zmapowali pozycje atomów w nanocząsteczkach tytanianu baru i obliczyli rozkład polaryzacji wewnętrznej. Odkrycie to potwierdza przewidywania teoretyczne poczynione 20 lat temu i kryje w sobie potencjał w zakresie opracowania urządzeń o ultragęstej pamięci.

A kaistZespół badawczy, którym kieruje, z powodzeniem zademonstrował trójwymiarowy rozkład polaryzacji wewnętrznej w nanocząsteczkach ferroelektrycznych, torując drogę zaawansowanym urządzeniom pamięci zdolnym do przechowywania 10 000 razy więcej danych niż obecne technologie.

Materiały, które pozostają niezależnie namagnesowane, bez potrzeby stosowania zewnętrznego pola magnetycznego, nazywane są ferromagnetykami. Podobnie ferroelektryczność może samodzielnie utrzymywać stan polaryzacji, bez zewnętrznego pola elektrycznego, działając jako elektryczny odpowiednik ferromagnetyków.

Wiadomo, że ferromagnesy tracą swoje właściwości magnetyczne, gdy zostaną zredukowane do rozmiarów w skali nano poniżej pewnego progu. To, co dzieje się, gdy materiały ferroelektryczne są wytwarzane identycznie w bardzo małej objętości we wszystkich kierunkach (tj. w bezwymiarowej strukturze niczym nanocząstki), od dawna jest przedmiotem kontrowersji.

Zespół badawczy kierowany przez dr Youngsu Yanga z Wydziału Fizyki KAUST po raz pierwszy wyjaśnił rozkład polaryzacji w kształcie wiru 3D wewnątrz nanocząstek ferroelektrycznych w drodze międzynarodowych badań prowadzonych wspólnie z POSTECH, SNU, KBSI i LBNL. I Uniwersytet Arkansas.

Około 20 lat temu profesor Laurent Belich (obecnie na Uniwersytecie Arkansas) i jego współpracownicy teoretycznie przewidzieli, że wewnątrz nanokropek ferroelektrycznych może wystąpić wyjątkowa forma rozkładu polaryzacji, ułożona w postaci toroidalnego wiru. Zasugerowali również, że gdyby można było odpowiednio kontrolować ten rozkład wirów, można by go zastosować w urządzeniach pamięci o dużej gęstości i pojemności 10 000 razy większej niż istniejące urządzenia. Jednakże nie osiągnięto wyjaśnienia eksperymentalnego ze względu na trudność pomiaru rozkładu polaryzacji 3D w nanostrukturach ferroelektrycznych.

Zaawansowane techniki tomografii elektronowej

Zespół badawczy w KAIST rozwiązał to wyzwanie sprzed 20 lat, wdrażając technikę zwaną atomową tomografią elektronową. Technologia ta polega na pozyskiwaniu obrazów nanomateriałów z transmisyjnego mikroskopu elektronowego w rozdzielczości atomowej pod różnymi kątami nachylenia, a następnie rekonstruowaniu ich z powrotem do struktur 3D przy użyciu zaawansowanych algorytmów rekonstrukcji. Tomografię elektronową można rozumieć jako tę samą metodę, którą stosuje się w tomografii komputerowej stosowanej w szpitalach do oglądania narządów wewnętrznych w trzech wymiarach; Zespół KAIST w unikalny sposób przystosował go do nanomateriałów, wykorzystując mikroskopię elektronową na pojedynczej próbce.kukurydza poziom.

Trójwymiarowy rozkład polaryzacji nanocząstek BaTiO3 ujawniony za pomocą atomowej tomografii elektronowej. (Po lewej) Schemat techniki tomografii elektronowej, która polega na pozyskiwaniu obrazów z transmisyjnego mikroskopu elektronowego pod różnymi kątami nachylenia i rekonstruowaniu ich w trójwymiarowe struktury atomowe. (W środku) Rozkład polaryzacji 3D został określony eksperymentalnie wewnątrz nanocząstki BaTiO3 za pomocą atomowej tomografii elektronowej. W pobliżu dna wyraźnie widoczna jest struktura przypominająca wir (niebieska kropka). (Po prawej) Przekrój poprzeczny 2D rozkładu polaryzacji, cienko pocięty w środku wiru, a kolor i strzałki wskazują razem kierunek polaryzacji. Można zaobserwować wyraźną strukturę wirową.

Za pomocą atomowej tomografii elektronowej zespół zmierzył w trzech wymiarach położenie całych atomów kationów wewnątrz nanocząstek tytanianu baru (BaTiO3), materiału ferroelektrycznego. Dzięki precyzyjnie zdefiniowanym trójwymiarowym układom atomów udało im się dokładniej obliczyć trójwymiarowy rozkład wewnętrznej polaryzacji na poziomie pojedynczego atomu. Analiza rozkładu polaryzacji ujawniła po raz pierwszy eksperymentalnie, że topologiczne układy polaryzacji, w tym wiry, antywiry, skyrmiony i punkt Blocha, występują wewnątrz zerowymiarowych ferroelektryków, zgodnie z przewidywaniami teoretycznymi 20 lat temu. Co więcej, odkryto również, że liczbę wirów wewnętrznych można kontrolować poprzez ich wielkość.

Do współpracy dołączyli profesorowie Siergiej Brusandev i profesor Belich (którzy wraz z innymi kolegami zaproponowali teoretycznie układ wirów polarnych 20 lat temu) włączyli się do tej współpracy i również wykazali, że wyniki rozkładu wirów uzyskane w eksperymentach zgadzają się z obliczeniami teoretycznymi.
Oczekuje się, że kontrolując liczbę i kierunek tych rozkładów polaryzacji, można to wykorzystać w urządzeniach pamięci nowej generacji o dużej gęstości, które mogą przechowywać w samym urządzeniu ponad 10 000 razy więcej informacji w porównaniu z istniejącymi urządzeniami.

Dr Yang, który kierował badaniami, wyjaśnił znaczenie odkryć, mówiąc: „Wynik ten wskazuje, że samo kontrolowanie rozmiaru i kształtu materiałów ferroelektrycznych, bez konieczności dostrajania podłoża lub otaczających wpływów środowiska, takich jak naprężenia epitaksjalne, może manipulować wiry ferroelektryczne lub inne układy topologiczne na dużą skalę”.

Odniesienie: „Revealing the Three-Dimensional Order of Polar Topology in Nanoparticles” autorstwa Chihwa Jeong, Joo Hyuk Lee, Hyesung Jo, Jayohan Oh, Hyunsuk Baek, Kyung Joon Jo, Junwoo Son, Se Young Choi, Sergey Brusandev, Laurent Belich i Youngsoo Yang, 8 maja 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
doi: 10.1038/s41467-024-48082-x

Badanie to było finansowane głównie z grantów Koreańskiej Narodowej Fundacji Badawczej (NRF) finansowanych przez rząd koreański (MSIT).