Physiker enthüllen den „3D-Wirbel“ der nulldimensionalen Ferroelektrizität

Forscher am KAIST haben in Zusammenarbeit mit mehreren Institutionen experimentell die wirbelförmige 3D-Polarisationsverteilung im Inneren von Photovoltaik-Nanopartikeln bestätigt. Mithilfe der Atomelektronentomographie kartierten sie die Atompositionen in Bariumtitanat-Nanopartikeln und berechneten die interne Polarisationsverteilung. Diese Entdeckung bestätigt theoretische Vorhersagen, die vor 20 Jahren gemacht wurden, und birgt das Potenzial für die Entwicklung ultradichter Speichergeräte.

A kaistDas von ihm geleitete Forschungsteam hat erfolgreich die dreidimensionale interne Polarisationsverteilung in ferroelektrischen Nanopartikeln demonstriert und damit den Weg für fortschrittliche Speichergeräte geebnet, die 10.000-mal mehr Daten speichern können als aktuelle Technologien.

Materialien, die unabhängig magnetisiert bleiben, ohne dass ein externes Magnetfeld erforderlich ist, werden als Ferromagnete bezeichnet. Ebenso kann Ferroelektrizität einen Polarisationszustand ohne externes elektrisches Feld aufrechterhalten und fungiert als elektrisches Äquivalent von Ferromagneten.

Es ist bekannt, dass Ferromagnete ihre magnetischen Eigenschaften verlieren, wenn sie unterhalb einer bestimmten Schwelle auf nanoskalige Größen reduziert werden. Was passiert, wenn ferroelektrische Materialien in einem sehr kleinen Volumen in alle Richtungen identisch hergestellt werden (d. h. in einer dimensionslosen Struktur wie Nanopartikel), ist seit langem umstritten.

Das Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Youngsu Yang vom Fachbereich Physik an der KAUST hat durch internationale Gemeinschaftsforschung mit POSTECH, SNU, KBSI und LBNL erstmals die 3D-wirbelförmige Polarisationsverteilung im Inneren ferroelektrischer Nanopartikel aufgeklärt. Und die University of Arkansas.

Vor etwa 20 Jahren sagten Professor Laurent Belich (heute an der University of Arkansas) und seine Kollegen theoretisch voraus, dass im Inneren ferroelektrischer Nanopunkte eine einzigartige Form der Polarisationsverteilung in Form eines toroidalen Wirbels auftreten könnte. Sie schlugen außerdem vor, dass diese Wirbelverteilung, wenn sie richtig kontrolliert werden könnte, auf Speichergeräte mit hoher Dichte angewendet werden könnte, deren Kapazität 10.000-mal größer ist als bei vorhandenen Geräten. Aufgrund der Schwierigkeit, die 3D-Polarisationsverteilung innerhalb ferroelektrischer Nanostrukturen zu messen, konnte jedoch keine experimentelle Klärung erreicht werden.

Fortgeschrittene Techniken in der Elektronentomographie

Das Forschungsteam am KAIST hat diese 20 Jahre alte Herausforderung durch die Implementierung einer Technik namens Atomelektronentomographie gelöst. Bei dieser Technologie werden Transmissionselektronenmikroskopbilder von Nanomaterialien mit atomarer Auflösung aus mehreren Neigungswinkeln aufgenommen und anschließend mithilfe fortschrittlicher Rekonstruktionsalgorithmen wieder in 3D-Strukturen rekonstruiert. Unter Elektronentomographie kann die gleiche Methode verstanden werden, die auch bei CT-Scans in Krankenhäusern verwendet wird, um innere Organe in drei Dimensionen zu betrachten; Das KAIST-Team hat es mithilfe der Elektronenmikroskopie an einer einzelnen Probe auf einzigartige Weise an Nanomaterialien angepasst.Mais Ebene.

Dreidimensionale Polarisationsverteilung von BaTiO3-Nanopartikeln, ermittelt durch Atomelektronentomographie. (Links) Schematische Darstellung der Elektronentomographietechnik, bei der Transmissionselektronenmikroskopbilder in mehreren Neigungswinkeln aufgenommen und in dreidimensionale Atomstrukturen rekonstruiert werden. (Mitte) Die 3D-Polarisationsverteilung wurde experimentell im Inneren eines BaTiO3-Nanopartikels mittels Atomelektronentomographie bestimmt. In Bodennähe ist deutlich eine wirbelartige Struktur zu erkennen (blauer Punkt). (Rechts) 2D-Querschnitt der Polarisationsverteilung, dünn geschnitten in der Mitte des Wirbels, und zusammen zeigen Farbe und Pfeile die Polarisationsrichtung an. Es ist eine ausgeprägte Wirbelstruktur zu beobachten.

Mithilfe der Atomelektronentomographie maß das Team die Positionen aller Kationenatome im Inneren von Bariumtitanat (BaTiO3)-Nanopartikeln, einem ferroelektrischen Material, in drei Dimensionen. Mit genau definierten 3D-Atomanordnungen konnten sie die 3D-interne Polarisationsverteilung auf Einzelatomebene weiter berechnen. Die Analyse der Polarisationsverteilung hat zum ersten Mal experimentell ergeben, dass topologische Polarisationsanordnungen, einschließlich Wirbel, Antiwirbel, Skyrmionen und der Bloch-Punkt, innerhalb nulldimensionaler Ferroelektrika auftreten, wie vor 20 Jahren theoretisch vorhergesagt. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Anzahl der internen Wirbel durch ihre Größe gesteuert werden kann.

Professor Sergei Brusandev und Professor Belich (der zusammen mit anderen Kollegen vor 20 Jahren die Polarwirbelanordnung theoretisch vorschlug) schlossen sich dieser Zusammenarbeit an und zeigten auch, dass die aus Experimenten gewonnenen Ergebnisse der Wirbelverteilung mit theoretischen Berechnungen übereinstimmen.
Durch die Steuerung der Anzahl und Richtung dieser Polarisationsverteilungen wird erwartet, dass dies in hochdichten Speichergeräten der nächsten Generation genutzt werden könnte, die im Vergleich zu bestehenden Geräten mehr als das 10.000-fache der Informationsmenge im Gerät selbst speichern können.

Dr. Yang, der die Forschung leitete, erklärte die Bedeutung der Ergebnisse mit den Worten: „Dieses Ergebnis zeigt, dass allein die Kontrolle der Größe und Form ferroelektrischer Materialien, ohne dass das Substrat oder umgebende Umwelteinflüsse wie epitaktische Spannungen abgestimmt werden müssen, manipulieren kann.“ ferroelektrische Wirbel oder andere topologische Anordnungen im großen Maßstab.“ Die Nanotechnologie kann dann weitere Forschungen zur Entwicklung der nächsten Generation ultradichter Speicher anwenden.

Referenz: „Revealing the Three-Dimensional Order of Polar Topology in Nanoparticles“ von Chihwa Jeong, Joo Hyuk Lee, Hyesung Jo, Jayohan Oh, Hyunsuk Baek, Kyung Joon Jo, Junwoo Son, Se Young Choi, Sergey Brusandev, Laurent Belich und Youngsoo Yang, 8. Mai 2024, Naturkommunikation.
doi: 10.1038/s41467-024-48082-x

Diese Studie wurde hauptsächlich durch Zuschüsse der National Research Foundation of Korea (NRF) unterstützt, die von der koreanischen Regierung (MSIT) finanziert wurden.