Noticias prometedoras para aquellos que disfrutan de las perspectivas de que un chip de una pulgada almacene varios terabytes de datos. Se ha aportado algo de claridad a la confusa física de los nanomateriales ferroeléctricos. Un equipo de investigadores multiinstitucional, dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) ha proporcionado los primeros conocimientos a escala atómica sobre las propiedades ferroeléctricas de los nanocristales. Esta información será fundamental para el desarrollo de la próxima generación de dispositivos de almacenamiento de datos no volátiles.

Trabajando con el microscopio electrónico de transmisión más poderoso del mundo, los investigadores mapearon las distorsiones estructurales ferroeléctricas en nanocristales de telururo de germanio, un semiconductor, y titanato de bario, un aislante. Luego, estos datos se combinaron con datos de imágenes de polarización holográfica de electrones para producir información detallada sobre las estructuras de polarización y los límites de escala del orden ferroeléctrico en la nanoescala.

"A medida que reducimos la tecnología de nuestros dispositivos de la microescala a la nanoescala, necesitamos una mejor comprensión de cómo las propiedades críticas de los materiales, como el comportamiento ferroeléctrico, están impactados, "dice Paul Alivisatos, director de Berkeley Lab y uno de los principales investigadores de esta investigación. "Nuestros resultados proporcionan un camino para desentrañar la física fundamental de la ferroelectricidad a nanoescala en las escalas de tamaño más pequeñas posibles".

Alivisatos, quien también es el Profesor Larry y Diane Bock de Nanotecnología en la Universidad de California (UC) Berkeley, es autor correspondiente de un artículo que describe este trabajo en la revista Materiales de la naturaleza titulado "Orden ferroeléctrico en cristales individuales nanométricos". El otro autor correspondiente es Ramamoorthy Ramesh, un científico senior de la División de Ciencias de los Materiales del Laboratorio de Berkeley y el Profesor Plato Malozemoff de Ciencia y Física de los Materiales de la UC Berkeley.

La ferroelectricidad es la propiedad por la cual los materiales pueden polarizarse eléctricamente, lo que significa que estarán orientados a favor de una carga eléctrica positiva o negativa. Esta polarización se puede invertir con la aplicación de un campo eléctrico externo, una propiedad que podría explotarse para el almacenamiento de datos no volátiles, similar al uso de materiales ferromagnéticos en la actualidad, pero con un uso mucho más pequeño, dispositivos mucho más densamente empaquetados.

"Aunque se ha avanzado mucho en la comprensión de las propiedades magnéticas fotofísicas a nanoescala y otras propiedades funcionales, La comprensión de la física básica de los nanomateriales ferroeléctricos sigue siendo mucho menos avanzada, "dice el co-investigador principal Ramesh, que atribuye informes contradictorios sobre ferroelectricidad a nanoescala en parte a la falta de alta calidad, nanocristales de materiales ferroeléctricos que presentan tamaños bien definidos, formas y superficies.

"Otro problema ha sido la dependencia de mediciones de conjuntos en lugar de técnicas de partículas individuales, ", dice." Las técnicas de medición de promedios estadísticos tienden a oscurecer los mecanismos físicos responsables de los cambios profundos en el comportamiento ferroeléctrico dentro de los nanocristales individuales ".

El equipo de investigación dirigido por Berkeley Lab pudo mapear las distorsiones estructurales ferroeléctricas dentro de los nanocristales individuales gracias a las capacidades sin precedentes del EQUIPO I, que se encuentra en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica (NCEM) de Berkeley Lab. TEAM significa "Microscopio con corrección de aberración electrónica de transmisión". EQUIPO I Puedo resolver imágenes de estructuras con dimensiones tan pequeñas como medio angstrom, menos que el diámetro de un solo átomo de hidrógeno.

Los mapas producidos en el EQUIPO I de patrones de distorsión ferroeléctrica dentro de los nanocristales de telururo de germanio altamente conductores se compararon luego con estudios de holografía electrónica de nanocubos aislantes de titanato de bario, que fueron realizadas por colaboradores del Laboratorio Nacional Brookhaven (BNL).

"La holografía electrónica es una técnica de interferometría que utiliza ondas de electrones coherentes, "dijo el físico de BNL y coautor del Materiales de la naturaleza papel Myung-Geun Han. "El disparo de ondas de electrones enfocadas a través de la muestra ferroeléctrica crea lo que se llama cambio de fase, o un patrón de interferencia que revela detalles de la estructura objetivo. Esto produce un holograma de electrones, que podemos utilizar para ver directamente los campos eléctricos locales de nanopartículas ferroeléctricas individuales ".

Estos estudios combinados permitieron el examen independiente del campo despolarizante y las influencias de la estructura de la superficie y, por lo tanto, permitieron al equipo de investigación identificar los factores fundamentales que gobiernan la naturaleza del estado polarizado ferroeléctrico en dimensiones finitas. Los resultados indican que un estado ferroeléctrico monodominio con polarización ordenada linealmente permanece estable en estos nanocristales hasta dimensiones de menos de 10 nanómetros. También, Se demostró el cambio de polarización a temperatura ambiente hasta dimensiones de unos cinco nanómetros. Por debajo de este umbral, El comportamiento ferroeléctrico desapareció. Esto indica que cinco nanómetros es probablemente un límite de tamaño para las aplicaciones de almacenamiento de datos, afirman los autores.

"También demostramos que la coherencia ferroeléctrica se ve facilitada en parte por el control de la morfología de las partículas, que, junto con las condiciones de contorno electrostáticas, determina la extensión espacial de las distorsiones ferroeléctricas cooperativas, "Dice Ramesh." En conjunto, nuestros resultados proporcionan un vistazo de las manifestaciones estructurales y eléctricas de la ferroelectricidad hasta sus límites finales ".