使它们足够薄反铁电材料变成铁电

反铁电材料具有电性能，使其有利于用于高密度储能应用。研究人员现在已经发现了一个尺寸阈值，超过这个阈值，反铁电体就会失去这些特性，变成铁电体。

“电子设备变得越来越小，这使得我们越来越了解材料的性质如何在小尺度上发生变化，”该研究的通讯作者，北卡罗来纳州立大学材料科学与工程助理教授徐瑞娟说。

“在这种情况下，我们了解到，当反铁电薄膜变得太薄时，这些材料会经历相变并变成铁电。这使得它们对能量存储的用处降低，但为内存存储创造了一些新的应用可能性。

这项研究的重点是反铁电材料。这些材料具有晶体结构，这意味着它们由规则的重复单元组成。晶体结构中的每个重复单元都有一个“偶极子”——正电荷与负电荷配对。反铁电材料的特别之处在于，这些偶极子在整个结构中从一个单元到另一个单元交替。

换句话说，如果一个单元在“顶部”有正电荷，在“底部”有一个负电荷，那么下一个单元将在“底部”有正电荷，在“顶部”有负电荷。偶极子的这种规则间距也意味着，在宏观尺度上，反铁电材料没有正极化或负极化。

铁电材料也具有晶体结构。但在铁电体中，中继单元中的偶极子都指向相同的方向。更重要的是，您可以通过施加电场来逆转铁电材料中偶极子的极化。

为了探索反铁电材料的性质如何在小尺度上发生变化，研究人员专注于无铅铌酸钠(NaNbO3)膜。

反铁电薄膜生长在基板上。以前评估对反铁电薄膜的潜在尺寸相关影响的尝试已经研究了薄膜，而薄膜仍然附着在基板层上。这带来了重大挑战，因为存在薄膜与基板紧密连接的“应变”，并且很难评估与薄膜尺寸相关的影响以及与基板相关的应变引起的影响。

“为了应对这一挑战，我们在反铁电薄膜和基板之间引入了一个牺牲缓冲层，”徐说。“一旦我们将薄膜生长到所需的厚度，我们就选择性地蚀刻牺牲层。这使我们能够将薄膜从基板上分离出来。最终，这使我们能够确定薄膜的任何变化如何受到其尺寸的影响，因为我们知道基板不会促成任何变化。

然后，研究人员使用各种实验和理论方法来评估这些厚度从9纳米(nm)到164nm的无应变样品。

“结果出乎意料，”徐说。

“我们知道，在原子尺度上，反铁电材料——比如无铅NaNbO。3膜-在整个材料中具有交替的偶极子。我们发现，当NaNbO时3膜比40nm薄，它们变得完全铁电。从40nm到164nm，我们发现材料的一些区域是铁电的，而其他区域是反铁电的。

利用他们的实验数据，研究人员推断NaNbO中至少会有一些铁电区域。3在270nm以下的任何厚度下。

“我们发现的令人兴奋的事情之一是，当薄膜处于同时存在铁电和反铁电区域的范围内时，我们可以通过施加电场使反铁电区域成为铁电，”徐说。“这种变化是不可逆转的。换句话说，我们可以使薄膜在厚度高达164nm的厚度下完全铁电化。

研究人员还能够就驱动反铁电材料这些变化的原因得出一些结论。

“利用第一原理，我们能够得出结论，我们在特别薄的反铁电材料中看到的相变是由膜表面开始的结构变形驱动的，”徐说。

换句话说，表面的不稳定性会产生贯穿整个材料的涟漪效应——当材料的体积较高时，这是不可能的。这就是防止反铁电材料在更大规模上变成铁电的原因。

“我不想过多地推测潜在的应用，但我们的工作为我们如何通过利用尺寸效应来控制材料的性能提供了重要的见解，”徐说。“我们已经证明了NaNbO的显着尺寸效应。3，我们用来发现这些效应的技术可以用来探索一系列其他材料的类似问题。