Natuurkundigen onthullen de ‘3D-vortex’ van nuldimensionale ferro-elektriciteit

Onderzoekers van het Korea Institute of Science and Technology hebben, in samenwerking met meerdere instellingen, experimenteel de 3D-vortexvormige polarisatieverdeling in fotovoltaïsche nanodeeltjes bevestigd. Met behulp van atomaire elektronentomografie brachten ze de atomaire posities in bariumtitanaat-nanodeeltjes in kaart en berekenden ze de interne polarisatieverdeling. Deze ontdekking bevestigt theoretische voorspellingen van twintig jaar geleden en biedt mogelijkheden voor de ontwikkeling van apparaten met ultradicht geheugen.

A kaistHet onderzoeksteam dat hij leidt heeft met succes de driedimensionale interne polarisatieverdeling in ferro-elektrische nanodeeltjes aangetoond, waardoor de weg is vrijgemaakt voor geavanceerde geheugenapparaten die 10.000 keer meer gegevens kunnen opslaan dan de huidige technologieën.

Materialen die onafhankelijk gemagnetiseerd blijven, zonder dat er een extern magnetisch veld nodig is, staan ​​bekend als ferromagneten. Op dezelfde manier kan ferro-elektriciteit op zichzelf een polarisatietoestand handhaven, zonder enig extern elektrisch veld, dat fungeert als het elektrische equivalent van ferromagneten.

Het is bekend dat ferromagneten hun magnetische eigenschappen verliezen wanneer ze worden verkleind tot nanoschaalgroottes onder een bepaalde drempel. Wat er gebeurt als ferro-elektrische materialen identiek worden gemaakt in een zeer klein volume in alle richtingen (dat wil zeggen in een dimensieloze structuur zoals nanodeeltjes) is al lange tijd een onderwerp van controverse.

Het onderzoeksteam onder leiding van Dr. Youngsu Yang van de afdeling Natuurkunde van KAUST heeft voor het eerst de 3D-vortexvormige polarisatieverdeling in ferro-elektrische nanodeeltjes opgehelderd door middel van internationaal gezamenlijk onderzoek met POSTECH, SNU, KBSI en LBNL. En de Universiteit van Arkansas.

Ongeveer twintig jaar geleden voorspelden professor Laurent Belich (nu aan de Universiteit van Arkansas) en zijn collega’s theoretisch dat een unieke vorm van polarisatieverdeling, gerangschikt in de vorm van een toroïdale vortex, zou kunnen optreden in ferro-elektrische nanodots. Ze suggereerden ook dat als deze vortexverdeling goed kon worden gecontroleerd, deze zou kunnen worden toegepast op geheugenapparaten met hoge dichtheid met capaciteiten die 10.000 keer groter zijn dan bestaande apparaten. Er is echter geen experimentele opheldering bereikt vanwege de moeilijkheid om de 3D-polarisatieverdeling binnen ferro-elektrische nanostructuren te meten.

Geavanceerde technieken in elektronentomografie

Het onderzoeksteam van KAIST heeft deze twintig jaar oude uitdaging opgelost door een techniek te implementeren die atomaire elektronentomografie wordt genoemd. Deze technologie werkt door transmissie-elektronenmicroscoopbeelden met atomaire resolutie van nanomaterialen vanuit meerdere kantelhoeken te verwerven en deze vervolgens weer in 3D-structuren te reconstrueren met behulp van geavanceerde reconstructie-algoritmen. Elektronentomografie kan worden opgevat als dezelfde methode die wordt gebruikt bij CT-scans die in ziekenhuizen worden gebruikt om inwendige organen in drie dimensies te bekijken; Het KAIST-team heeft het op unieke wijze aangepast aan nanomaterialen, met behulp van elektronenmicroscopie op één enkel monster.maïs niveau.

Driedimensionale polarisatieverdeling van BaTiO3-nanodeeltjes onthuld door atomaire elektronentomografie. (Links) Schematische weergave van de elektronentomografietechniek, waarbij transmissie-elektronenmicroscoopbeelden onder meerdere kantelhoeken worden verkregen en deze worden gereconstrueerd in 3D-atoomstructuren. (Midden) De 3D-polarisatieverdeling werd experimenteel bepaald in een BaTiO3-nanodeeltje via atomaire elektronentomografie. Aan de onderkant is duidelijk een vortexachtige structuur zichtbaar (blauwe stip). (Rechts) 2D-dwarsdoorsnede van de polarisatieverdeling, dun gesneden in het midden van de vortex, en samen geven de kleur en pijlen de polarisatierichting aan. Er kan een duidelijke vortexstructuur worden waargenomen.

Met behulp van atomaire elektronentomografie heeft het team de posities van alle kationatomen in bariumtitanaat (BaTiO3) nanodeeltjes, een ferro-elektrisch materiaal, in drie dimensies gemeten. Met nauwkeurig gedefinieerde 3D-atomaire arrangementen konden ze de 3D-interne polarisatieverdeling op het niveau van één atoom verder berekenen. Analyse van de polarisatieverdeling heeft voor het eerst experimenteel onthuld dat topologische polarisatiearrangementen, waaronder wervels, antivortexen, skyrmionen en het Bloch-punt, plaatsvinden in nuldimensionale ferro-elektrische materialen, zoals twintig jaar geleden theoretisch voorspeld. Bovendien is ook gevonden dat het aantal interne wervels kan worden geregeld door hun grootte.

Professor Sergei Brusandev en professor Belich (die samen met andere collega’s twintig jaar geleden de polaire vortex-opstelling theoretisch voorstelden) sloten zich aan bij deze samenwerking en toonden ook aan dat de resultaten van de vortexverdeling verkregen uit experimenten overeenkomen met theoretische berekeningen.
Door het aantal en de richting van deze polarisatieverdelingen te beheersen, wordt verwacht dat dit kan worden benut in geheugenapparaten met hoge dichtheid van de volgende generatie, die meer dan 10.000 keer de hoeveelheid informatie in het apparaat zelf kunnen opslaan in vergelijking met bestaande apparaten.

Dr. Yang, die het onderzoek leidde, legde het belang van de bevindingen uit door te zeggen: “Dit resultaat geeft aan dat het beheersen van de grootte en vorm van ferro-elektrische materialen alleen, zonder de noodzaak om het substraat of de omringende omgevingsinvloeden zoals epitaxiale spanning af te stemmen, kan manipuleren ferro-elektrische wervels of andere topologische arrangementen op grote schaal.” Nanotechnologie kan vervolgens verder onderzoek toepassen op de ontwikkeling van de volgende generatie ultradicht geheugen.

Referentie: “Het onthullen van de driedimensionale orde van polaire topologie in nanodeeltjes” door Chihwa Jeong, Joo Hyuk Lee, Hyesung Jo, Jayohan Oh, Hyunsuk Baek, Kyung Joon Jo, Junwoo Son, Se Young Choi, Sergey Brusandev, Laurent Belich en Youngsoo Yang, 8 mei 2024, Natuurcommunicatie.
doi: 10.1038/s41467-024-48082-x

Deze studie werd voornamelijk ondersteund door subsidies van de National Research Foundation of Korea (NRF), gefinancierd door de Koreaanse overheid (MSIT).