Para ilmuwan menemukan kekuatan tersembunyi di lapisan material sederhana
Para ilmuwan di Penn State telah menemukan metode untuk menginduksi sifat feroelektrik dalam bahan non-ferroelektrik dengan melapisinya dengan bahan feroelektrik, sebuah fenomena yang disebut kedekatan feroelektrik.
Terobosan ini menawarkan pendekatan baru untuk menciptakan bahan feroelektrik tanpa mengubah komposisi kimianya, melestarikan sifat intrinsiknya, dan berpotensi merevolusi penyimpanan data, komunikasi nirkabel, dan pengembangan perangkat elektronik generasi berikutnya.
Bahan feroelektrik baru tanpa perubahan kimia
Bahan feroelektrik memiliki sifat unik: mereka memiliki muatan positif dan negatif yang terpolarisasi, mirip dengan kutub utara dan selatan magnet. Yang membedakan mereka adalah kemampuan mereka untuk membalikkan polarisasi ini ketika listrik eksternal diterapkan. Setelah terbalik, bahan -bahan ini mempertahankan keadaan mereka sampai lebih banyak daya diperkenalkan, membuatnya sangat berharga untuk penyimpanan data dan teknologi komunikasi nirkabel.
Sekarang, para peneliti di Penn State telah menemukan cara untuk mengubah bahan non-ferroelektrik menjadi bahan feroelektrik hanya dengan menumpuknya dengan bahan feroelektrik. Proses ini, yang dikenal sebagai proximity ferroelektrik, menghilangkan kebutuhan modifikasi kimia.
Terobosan ini memperkenalkan metode baru untuk menciptakan bahan feroelektrik sambil mempertahankan sifat esensial mereka, yang sering dikompromikan oleh perubahan kimia. Penemuan ini dapat membuka jalan bagi kemajuan dalam prosesor generasi berikutnya, optoelektronika, dan Komputasi kuantum. Temuan tim diterbitkan pada 8 Januari di jurnal Alam.
Kedekatan ferroelektrik dieksplorasi
“Karya ini menunjukkan bahwa kita dapat menghasilkan ferroelektrik dalam bahan yang tidak memiliki sifat-sifat itu hanya dengan menumpuknya dengan bahan yang feroelektrik,” kata Jon-Paul Maria, profesor ilmu material dan teknik di Penn State dan penulis utama penelitian ini . “Dan, jadi, haruslah kedua bahan itu berbicara satu sama lain. Kami menyebutnya kedekatan feroelektrik karena itu adalah efek dari kontak. “
Dalam beberapa tahun terakhir, para ilmuwan di University of Kiel di Jerman dan di Penn State telah mengembangkan keluarga baru bahan feroelektrik nitrida dan oksida – masing -masing – dengan sifat yang sebanding tetapi dengan struktur yang jauh lebih sederhana dan metode persiapan yang dapat diintegrasikan langsung ke dalam arus utama tetapi dengan arus utama ke dalam arus utama ke dalam arus utama yang dapat diintegrasikan secara arus utama secara arus utama secara arus utama yang dapat diintegrasikan secara langsung ke arus utama secara arus utama secara arus utama semikonduktorseperti silikon, sehingga memaksimalkan dampak teknologi, kata para ilmuwan.
Menyederhanakan fabrikasi feroelektrik
Karya baru ini dibangun di atas penemuan -penemuan itu, menunjukkan metode untuk membuat bahan serupa tetapi tanpa memerlukan modifikasi kimia yang sebelumnya diperlukan untuk fabrikasi, kata para ilmuwan.
“Komunitas menjadi sangat bersemangat dalam beberapa tahun terakhir tentang dua keluarga baru yang muncul dari feroelektrik yang menunjukkan dampak yang sangat menjanjikan di masa depan pada perangkat elektronik,” kata Maria. “Ini sekarang merupakan langkah lain dalam proses itu. Ini adalah kedua kalinya kami terkejut tentang apa yang tidak kami ketahui tentang feroelektrik setelah 100 tahun penelitian. ”
Maria dan timnya sebelumnya mengembangkan salah satu bahan ferroelektrik yang menawarkan kinerja yang menarik tetapi membutuhkan pertukaran: film tipis zinc oksida yang tersubstitusi magnesium. Seng oksida memiliki sifat yang diinginkan, tetapi itu bukan ferroelektrik dengan sendirinya. Menambahkan magnesium memungkinkan para ilmuwan untuk membuat bahan feroelektrik tetapi menurunkan sifat -sifat penting seperti disipasi panas selama operasi perangkat dan kemampuan untuk mengirimkan cahaya pada jarak yang sangat jauh.
Menggunakan kedekatan feroelektrik, para peneliti menemukan mereka sekarang dapat mengubah ferroelektrik seng oksida murni dengan menumpuknya dengan bahan feroelektrik seperti film tipis oksida seng yang tersubstitusi magnesium.
“Bayangkan saya memiliki kemampuan untuk menumpuk lapisan -lapisan ini di atas satu sama lain, di mana satu feroelektrik dan yang lainnya biasanya tidak, tetapi melalui kedekatan feroelektrik,” kata Maria. “Ini dapat menunjukkan pembalikan polarisasi dalam keadaan murni. Itulah daya tarik yang sebenarnya. “
Selain itu, lapisan feroelektrik dapat mewakili sesedikit 3% dari total volume tumpukan, yang berarti sebagian besar adalah material dengan sifat yang paling diinginkan. Lapisan ferroelektrik, atau switching, dapat ditempatkan di bagian atas atau bawah atau sebagai lapisan internal yang terisolasi, kata para ilmuwan.
Para peneliti mengamati kedekatan feroelektrik dalam sistem oksida, nitrida, dan kombinasi nitrida-oksida, menunjukkan bahwa ada mekanisme generik dan bahwa teknik ini dapat menyediakan jalan baru untuk rekayasa properti ferroelektrik dan penemuan material.
Maria mengatakan pekerjaan itu hanya menggaruk permukaan apa yang mungkin dengan teknik ini dan bahwa penelitian di masa depan harus mengeksplorasi komposisi lain yang mungkin.
Implikasi untuk Optoelektronika dan Komputasi
Teknologi ini bisa sangat berguna untuk mengembangkan aplikasi optik generasi berikutnya untuk elektronik. Tantangan utama dalam komputasi melibatkan menemukan cara untuk menggunakan lebih sedikit energi – dan satu opsi mengubah cara prosesor berbicara satu sama lain menggunakan cahaya alih -alih elektronik, kata Maria.
“Dan sebagian besar dari itu mungkin generasi berikutnya dari bahan opto-elektronik ini,” kata Maria. “Temuan kami bisa menjadi salah satu kandidat. Atau, ini bisa berarti bahwa bahan yang memungkinkan lainnya sudah diketahui, dan sifat fungsional yang menarik seperti switching feroelektrik hanya perlu membuka kunci menggunakan efek kedekatan ini. “
Reference: “Proximity ferroelectricity in wurtzite heterostructures” by Chloe H. Skidmore, R. Jackson Spurling, John Hayden, Steven M. Baksa, Drew Behrendt, Devin Goodling, Joshua L. Nordlander, Albert Suceava, Joseph Casamento, Betul Akkopru-Akgun, Sebastian Calderon, Ismaila Dabo, Venkatraman Gopalan, Kyle P. Kelley, Andrew M. Rappe, Susan Trolier-McKinstry, Elizabeth C. Dickey dan Jon-Paul Maria, 8 Januari 2025, Alam.
Doi: 10.1038/s41586-024-08295-y
Juga berkontribusi dari Penn State adalah: Chloe Skidmore, seorang mahasiswa pascasarjana dan penulis utama; Devin Goodling, John Hayden, R. Jackson Spurling, Steven Baksa, Albert Suceava dan Joshua Nordlander, yang berkontribusi sebagai mahasiswa pascasarjana; dan Joseph Casamento, seorang sarjana pasca-doktoral. Anggota fakultas yang berkontribusi termasuk Susan Trolier-McKinstry, Profesor Universitas Evan Pugh dan Steward S. Flaschen Profesor Ilmu dan Teknik Keramik; Venkatraman Gopalan, profesor ilmu material dan teknik dan fisika; dan Betul Akkopru-Akgun, Asisten Profesor Penelitian di Lembaga Penelitian Bahan.
Juga berkontribusi adalah: Elizabeth Dickey, Profesor Terhormat; Ismaila Dabo, profesor; dan Sebastian Calderon, fakultas khusus, di Universitas Carnegie Mellon; Andrew Rappe, Profesor, dan Drew Behrendt, mahasiswa doktoral, di Universitas Pennsylvania; dan Kyle Kelley, rekan penelitian dan pengembangan di Laboratorium Nasional Oak Ridge.
Departemen Energi AS, Yayasan Sains Nasional AS dan Departemen Pertahanan memberikan dukungan kepada para peneliti pada proyek ini.
