Fizikçiler sıfır boyutlu ferroelektrikliğin ‘3 boyutlu girdabını’ ortaya koyuyor

A kaistLiderliğini yaptığı araştırma ekibi, ferroelektrik nanopartiküllerdeki üç boyutlu iç polarizasyon dağılımını başarıyla göstererek, mevcut teknolojilerden 10.000 kat daha fazla veri depolayabilen gelişmiş bellek cihazlarının önünü açtı.

Harici bir manyetik alana ihtiyaç duymadan bağımsız olarak mıknatıslanmış halde kalan malzemeler ferromıknatıs olarak bilinir. Benzer şekilde ferroelektriklik, ferromıknatısların elektriksel eşdeğeri olarak hareket ederek herhangi bir harici elektrik alanı olmadan kendi başına bir polarizasyon durumunu koruyabilir.

Ferromıknatısların belirli bir eşiğin altında nano ölçekli boyutlara indirgendiğinde manyetik özelliklerini kaybettiği bilinmektedir. Ferroelektrik malzemeler her yönde çok küçük bir hacimde (yani nanopartiküller gibi boyutsuz bir yapıda) aynı şekilde yapıldığında ne olacağı uzun süredir tartışma konusu olmuştur.

KAUST Fizik Bölümü’nden Dr. Youngsu Yang liderliğindeki araştırma ekibi, ilk kez, POSTECH, SNU, KBSI ve LBNL ile yapılan uluslararası işbirlikçi araştırmalar yoluyla ferroelektrik nanopartiküller içindeki 3 boyutlu girdap şeklindeki polarizasyon dağılımını açıkladı. Ve Arkansas Üniversitesi.

Yaklaşık 20 yıl önce, Profesör Laurent Belich (şu anda Arkansas Üniversitesi’nde) ve meslektaşları teorik olarak ferroelektrik nanodotların içinde toroidal bir girdap şeklinde düzenlenmiş benzersiz bir polarizasyon dağılımı biçiminin oluşabileceğini öngördüler. Ayrıca bu girdap dağılımının düzgün bir şekilde kontrol edilmesi durumunda, mevcut cihazlardan 10.000 kat daha büyük kapasiteye sahip yüksek yoğunluklu bellek cihazlarına uygulanabileceğini de öne sürdüler. Ancak ferroelektrik nanoyapılar içindeki 3 boyutlu polarizasyon dağılımını ölçmenin zorluğu nedeniyle deneysel açıklama sağlanamamıştır.

Elektron tomografisinde ileri teknikler

KAIST’teki araştırma ekibi, atomik elektron tomografisi adı verilen bir tekniği uygulayarak bu 20 yıllık sorunu çözdü. Bu teknoloji, nanomateryallerin çoklu eğim açılarından atomik çözünürlüklü transmisyon elektron mikroskobu görüntülerini elde ederek, ardından bunları gelişmiş yeniden yapılandırma algoritmaları kullanarak 3 boyutlu yapılara yeniden yapılandırarak çalışır. Elektron tomografisi, hastanelerde iç organların üç boyutlu görüntülenmesi için kullanılan CT taramalarında kullanılan yöntemin aynısı olarak anlaşılabilir; KAIST ekibi, tek bir örnek üzerinde elektron mikroskobu kullanarak bunu benzersiz bir şekilde nanomateryallere uyarladı.Mısır seviye.

Atomik elektron tomografisi ile ortaya çıkan BaTiO3 nanopartiküllerinin üç boyutlu polarizasyon dağılımı. (Sol) Çoklu eğim açılarında transmisyon elektron mikroskobu görüntülerinin elde edilmesini ve bunların 3 boyutlu atomik yapılar halinde yeniden oluşturulmasını içeren elektron tomografi tekniğinin şeması. (Orta) 3 boyutlu polarizasyon dağılımı, bir BaTiO3 nanoparçacığı içinde atomik elektron tomografisi aracılığıyla deneysel olarak belirlendi. Alt tarafa yakın bir yerde girdap benzeri bir yapı açıkça görülüyor (mavi nokta). (Sağ) Polarizasyon dağılımının 2 boyutlu kesiti, girdabın merkezinde ince dilimlenmiş olup renk ve oklar birlikte polarizasyon yönünü gösterir. Belirgin bir girdap yapısı gözlemlenebilir.

Ekip, atomik elektron tomografisini kullanarak, ferroelektrik bir malzeme olan baryum titanat (BaTiO3) nanoparçacıkları içindeki tüm katyon atomlarının konumlarını üç boyutlu olarak ölçtü. Kesin olarak tanımlanmış 3 boyutlu atomik düzenlemelerle, tek atom seviyesinde 3 boyutlu iç polarizasyon dağılımını daha fazla hesaplamayı başardılar. Polarizasyon dağılımının analizi, deneysel olarak ilk kez, 20 yıl önce teorik olarak tahmin edildiği gibi, girdaplar, antivorteksler, skyrmyonlar ve Bloch noktası dahil olmak üzere topolojik polarizasyon düzenlemelerinin sıfır boyutlu ferroelektriklerde meydana geldiğini ortaya çıkardı. Ayrıca iç girdap sayısının boyutlarına göre kontrol edilebildiği de bulunmuştur.

Profesör Sergei Brusandev ve Profesör Belich (diğer meslektaşlarıyla birlikte 20 yıl önce teorik olarak kutupsal girdap düzenlemesini öneren) bu işbirliğine katıldılar ve ayrıca deneylerden elde edilen girdap dağılım sonuçlarının teorik hesaplamalarla uyumlu olduğunu gösterdiler.
Bu polarizasyon dağılımlarının sayısı ve yönü kontrol edilerek, mevcut cihazlarla karşılaştırıldığında cihazın kendisinde 10.000 kat daha fazla bilgi depolayabilen yeni nesil yüksek yoğunluklu bellek cihazlarında bundan yararlanılması bekleniyor.

Araştırmayı yöneten Dr Yang, bulguların önemini şöyle açıkladı: “Bu sonuç, alt tabakayı veya epitaksiyel stres gibi çevredeki çevresel etkileri ayarlamaya gerek kalmadan ferroelektrik malzemelerin boyutunu ve şeklini tek başına kontrol etmenin, ferroelektrik girdapları manipüle edebileceğini gösteriyor. veya nano ölçekte diğer topolojik düzenlemeler.” Daha sonra yeni nesil ultra yoğun belleğin geliştirilmesi için daha fazla araştırma yapılabilir.

Referans: Chihwa Jeong, Joo Hyuk Lee, Hyesung Jo, Jayohan Oh, Hyunsuk Baek, Kyung Joon Jo, Junwoo Son, Se Young Choi, Sergey Brusandev, Laurent Belich ve Youngsoo tarafından yazılan “Nanopartiküllerdeki Üç Boyutlu Polar Topoloji Düzeninin Ortaya Çıkarılması” Yang, 8 Mayıs 2024, Doğa İletişimi.
doi: 10.1038/s41467-024-48082-x

Bu çalışma esas olarak Kore hükümeti (MSIT) tarafından finanse edilen Kore Ulusal Araştırma Vakfı (NRF) hibeleri tarafından desteklenmiştir.