Способность видеть на этом субатомном уровне имеет решающее значение для разработки новых материалов с беспрецедентными свойствами, таких как материалы, переходящие от металлов к полупроводникам или обладающие сверхпроводимостью. Работа исследователей, описывающая первые доказательства существования сегнетоэлектричества, индуцированного деформацией в слоистом оксиде, в атомном масштабе появилась сегодня (31 августа) в журнале Nature Communications.«Эта статья важна, потому что она подчеркивает нашу способность разрабатывать новые классы материалов, которые можно настраивать, по одному атомному слою за раз, для получения интересных новых свойств, таких как высокочастотные перестраиваемые диэлектрики, которые представляют интерес для полупроводниковой промышленности, — сказал первый автор Грег Стоун, бывший научный сотрудник Пенсильванского университета, который сейчас работает в Центре исследований, разработок и инженерии армии США.Разработка новых материалов с потенциально полезными свойствами требует тесного сотрудничества в области теории, синтеза и определения характеристик: первая — для построения необходимых математических моделей, вторая — для создания материала в лаборатории, а третья — для визуализации и измерения свойств материала и обеспечения обратная связь для корректировки теорий и улучшения синтеза.
Это исследование основано на предыдущей теоретической работе соавторов Турана Бирола и Крейга Фенни из Корнельского университета и экспериментальной работе соавторов Венкатрамана Гопалана из Пенсильванского университета и Даррелла Шлома, ранее работавших в Пенсильванском университете, а теперь в Корнелле, и их студентов. Гопалан и Насим Алем, профессора материаловедения и инженерии Университета Пенсильвании, провели данное исследование.
«Материал, который мы рассматриваем, представляет собой форму титаната стронция, называемую слоистым оксидом», — сказал Гопалан. «Это исследование объединяет электронную микроскопию и теорию функционала плотности на шкале от 5 до 10 пикометров, чтобы показать, почему эти материалы являются такими хорошими перестраиваемыми диэлектриками. Ключевым моментом является фазовая конкуренция, и мы впервые показываем, что многие полярные фазы с одинаковыми энергии конкурируют в этом материале в атомном масштабе, как и предсказывает теория, что дает ему большую настраиваемость под напряжением ».Сложные оксиды — это материалы, которые образуются путем объединения отрицательно заряженного кислорода и двух других положительно заряженных ионов. В этом случае команда исследовала титанат стронция со структурой, названной Раддлесден-Поппер (RP), в честь двух ученых, которые его открыли.
Структура выглядит как стена из кирпича и раствора, кирпичи из титаната стронция и тонкий раствор между кирпичами из оксида стронция. Когда кирпичи укладываются слоями таким образом, появляются новые свойства, которые не проявляются ни в одном кирпиче.«В случае титаната RP-стронция возникающим свойством является сегнетоэлектричество, что означает, что он имеет встроенную электрическую поляризацию в своей структуре», — сказал Гопалан. «Но это может быть магнетизм, переходы металл-изолятор или сверхпроводимость, в зависимости от задействованных атомов и порядка слоев материалов».Поскольку каждый слой кирпича имеет слабую связь с другими слоями, материал может иметь конкурирующие состояния, при этом один слой поляризован в направлении, противоположном соседнему слою.
Эти конкурирующие состояния приводят к получению материала с сильным откликом на небольшой внешний стимул, такой как электрическое или магнитное поле или температура. В случае титаната стронция наблюдается большой диэлектрический отклик, который представляет собой способность накапливать большое количество энергии, как в конденсаторе.Сотовые телефоны содержат множество диэлектрических компонентов, которые очень малы и должны удерживать заряд. Поскольку сотовые телефоны переходят от сетей 4G к 5G, что означает, что они обрабатывают 5 миллиардов циклов в секунду, решающее значение приобретают более качественные материалы, которые реагируют на более высоких частотах.
Титанат стронция RP — это материал, который определенно превосходит существующие материалы.Колин Офус из Национального центра электронной микроскопии Molecular Foundry сказал: «Эта работа является прекрасным примером того, как материалы становятся возможными, когда мы замыкаем петлю обратной связи между расчетами из первых принципов и электронной микроскопией с атомным разрешением».
Его коллега Джим Систон из Molecular Foundry добавляет: «Точность согласия между теорией и экспериментом имеет решающее значение для раскрытия тонких различий в структуре между конкурирующими сегнетоэлектрическими фазами. Эти изображения положения атомов — больше, чем красивые картинки удивительной точности, но содержат огромное количество поддающейся количественной оценке информации о мельчайших искажениях в положениях атомов, которые могут привести к удивительным свойствам ».
