Как сегнетоэлектрические «пузырьки» помогут создать новые устройства

Argonne National Laboratory

Всё равно, что снять дом с фундамента. Непросто, но стоит того.

В трехслойной ультратонкой структуре сегнетоэлектрик-диэлектрик-сегнетоэлектрик встречаются «пузырьки», состоящие из упорядоченных диполей. Диполи ориентируются за счет локально деформации материала и зарядов на поверхности пленки — диполи стремятся занять состояние с наименьшей энергией. В конечном итоге образуются пузырьковые домены, которые также легко деформируются под действием даже небольших сил.

Что было сделано? В ходе эксперимента исследователи сначала вырастили пузырьки в ультратонкой гетероструктурной пленке на подложке из титаната стронция — одного из самых простых материалов для их создания. Однако снять полученную плёнку с подложки оказалось непросто.

Пузырьковые домены крошечны. Их радиус составляет всего 4 нанометра — такой же шириной обладает нить ДНК человека, поэтому их трудно заметить. Передовые методы сканирующей зондовой микроскопии с преобразованием Фурье позволяют ученым не только увидеть их, но и количественно оценить их свойства.

Чтобы убедиться, что пузырьковые домены уцелели при переносе, ученые измерили их электронные и пьезоэлектрические свойства с помощью сканирующей микроволновой импедансной микроскопии и пьезорезонансной силовой микроскопии. Если бы пузырьки разрушились, емкость, отражающая электрические свойства, изменилась бы под действием приложенного напряжения, но Бакауль увидел, что она оставалась относительно стабильной и совпала с теоретической оценкой. Интересно, что когда пузырьковые домены были удалены, ровная пленка гетероструктуры пошла рябью.

Для чего это нужно? Такие «сегнетоэлектрические пузырьки» обладают необычными электрическими и механическими свойствами. Трансформация этих пузырьков приводит к необычной электромеханической реакции, что может найти применение в широком спектре устройств в микроэлектронике и энергетике.

Статья опубликована в журнале Advanced Materials.