Uniwersytet w Nagoi badacze zsyntetyzowali nowe wielowarstwowe perowskity i odkryli, że ich właściwości ferroelektryczne zmieniają się w zależności od liczby warstw. Odkrycie to może znacznie usprawnić przyszły rozwój urządzeń elektronicznych.
Zespołowi badawczemu z Uniwersytetu Nagoya w Japonii udało się zsyntetyzować 4- i 5-warstwowe wersje kluczowego materiału elektrycznego, perowskitu. Analizując właściwości ferroelektryczne materiału, odkryli unikalną cechę: mechanizmy ferroelektryczne przełączają się w zależności od tego, czy liczba warstw jest nieparzysta, czy parzysta. Oczekuje się, że to odkrycie znacznie przyspieszy rozwój nowych urządzeń elektronicznych ze względu na wszechstronne właściwości materiału. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „ Dziennik Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego.
Perowskity to klasa materiałów o specyficznej strukturze krystalicznej składającej się z tlenków wapniowo-tytanowych. Urządzenia elektroniczne często wykorzystują perowskity, ponieważ wykazują one właściwość zwaną ferroelektrycznością. Ferroelektryczność pozwala na kontrolę i odwrócenie polaryzacji elektrycznej za pomocą zewnętrznego pola elektrycznego. Ta cecha sprawia, że perowskity są przydatne w urządzeniach elektronicznych, takich jak pamięć, kondensatory, siłowniki i urządzenia czujnikowe, które wykorzystują stany włączenia i wyłączenia.
Aby poprawić funkcjonalność i zmniejszyć wpływ tych produktów na środowisko, badacze opracowują nowe składy, struktury i ferroelektryki bezołowiowe. Perowskity, zwłaszcza perowskity warstwowe typu Diona-Jacobsona (DJ), stają się ważną klasą materiałów w tych badaniach.
Właściwości ferroelektryczne perowskitów typu DJ
Perowskity typu DJ mają warstwową strukturę oktaedryczną, co powoduje, że warstwy są asymetryczne, nadając im właściwości ferroelektryczne. Właściwości ferroelektryczne są spowodowane przesunięciem jonów dodatnich i ujemnych, gdy przyłożone jest pole zewnętrzne, powodując obrót i przechylenie ośmiościanów z powodu niedopasowania rozmiarów. To przechylenie obniża symetrię materiału, co dodatkowo przyczynia się do zachowania ferroelektrycznego.
Minoru Osada z Instytutu Materiałów i Systemów na rzecz Zrównoważonego Rozwoju (IMaSS) Uniwersytetu w Nagoi wyjaśnił, że badacze uważają perowskity warstwowe za materiały niezbadane ze względu na spadek stabilności termodynamicznej wraz ze wzrostem grubości warstw perowskitu.
Aby temu zaradzić, grupa badawcza opracowała nową metodę syntezy, zwaną metodą syntezy szablonów, która umożliwia syntezę struktur wielowarstwowych poprzez nakładanie warstw perowskitu jedna po drugiej i ustawianie ich ośmiościanów na wzór elementów składowych.
„W metodzie syntezy matryc liczbę warstw można zwiększyć o jedną warstwę, stosując jako materiał wyjściowy układ trójwarstwowy i poddając go reakcji z SrTiO3– stwierdził Osada. „Powtarzając reakcję, można cyfrowo kontrolować liczbę warstw perowskitu w zależności od liczby reakcji, co pozwala na syntezę struktury wielowarstwowej. Stosując metodę syntezy szablonów, po raz pierwszy zsyntetyzowaliśmy perowskity cztero- i pięciowarstwowe.”
Unikalne zachowanie wielowarstwowych perowskitów
Co ciekawe, kiedy testowali materiał, odkryli, że zachowuje się on dziwnie, wykazując różne stałe dielektryczne i temperaturę Curie w zależności od liczby warstw.
„Odkryliśmy, że liczba warstw odgrywa ważną rolę w tym systemie i że ma on unikalną funkcję przełączania na konwencjonalny model ferroelektryczności bezpośredniej, gdy liczba warstw jest nieparzysta, oraz na nowy model ferroelektryczności pośredniej, gdy liczba jest parzysta – stwierdził Osada.
Ich podejście zapewnia nową możliwość poszerzenia gamy materiałów ferroelektrycznych poza fazy stabilne termodynamicznie. Oczekuje się, że to osiągnięcie znacznie poszerzy przestrzeń poszukiwań materiałów w rozwoju ferroelektryków i dostarczy ważnych wskazówek dla rozwoju nowych materiałów i funkcji, które są trudne do zrealizowania przy użyciu istniejących materiałów i technologii.
Odniesienie: „Atomic Layer Engineering of Ferroelectricity in Dion – Jacobson Perovskites” autorstwa Shu Morita, Daisuke Urushihara, Keita Nishibashi, Makoto Kobayashi, Eisuke Yamamoto, Toru Asaka, Hiroshi Nakajima, Shigeo Mori i Minoru Osada, 26 sierpnia 2024 r., Dziennik Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego.
DOI: 10.1021/jacs.4c09214
