El CuInP2S6 en capas de Van-der-Waals tiene diferentes propiedades según la ubicación de los átomos de cobre (esferas naranjas). La teoría y el experimento unificados llevaron al descubrimiento de dos fases coexistentes que están conectadas a través de un pozo cuádruple de energía cuyas propiedades se pueden aprovechar para proporcionar a los materiales nuevas funciones. Crédito:Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de EE. UU.; ilustración de Sabine Neumayer
Un equipo científico del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía y la Universidad de Vanderbilt ha realizado la primera observación experimental de una fase material que se había predicho pero nunca se había visto. La fase recién descubierta se acopla con una fase conocida para permitir un control único sobre las propiedades del material, un avance que allana el camino para una eventual manipulación de la conducción eléctrica en materiales bidimensionales (2-D) como el grafeno.
El equipo hizo el descubrimiento utilizando una capa, cristal que contiene cobre que es ferroeléctrico, o tiene un dipolo eléctrico constante que se puede invertir cuando se aplica un campo eléctrico.
"Estos materiales pueden convertirse en bloques de construcción de tecnologías ultrafinas de energía y electrónica, "dijo Nina Balke de ORNL, un autor correspondiente de un artículo que informa el hallazgo en Materiales de la naturaleza .
La observación muestra propiedades que pueden aprovecharse para dotar a los materiales de nuevas funciones. Estas propiedades dependen de la ubicación de los átomos de cobre en el cristal. Los átomos de cobre pueden asentarse dentro de las capas del cristal o desplazarse hacia los espacios entre capas, llamados "espacios de van der Waals", donde forman enlaces iónicos débiles con las capas vecinas y forman la nueva fase.
Los científicos midieron las respuestas electromecánicas a través de capas de cristales ferroeléctricos de tiofosfato de cobre e indio, o CIPS. Este material es piezoeléctrico, lo que significa que sus superficies se cargan cuando se estira o se aprieta. En cambio, la aplicación de un campo eléctrico hace que un material piezoeléctrico se expanda o contraiga. Las propiedades piezoeléctricas de CIPS (CuInP 2 S 6 ) fueron la clave para estudiarlo tanto experimentalmente como teóricamente para revelar los nuevos fenómenos.
La investigación teórica fue realizada por el grupo de Sokrates Pantelides, profesor de la Universidad de Vanderbilt y científico visitante distinguido en ORNL. Usando cálculos cuánticos, Los miembros del grupo movieron el átomo responsable del desplazamiento polar —cobre— a través de la estructura cristalina y calcularon la energía potencial. "Un resultado típico de un material ferroeléctrico es que tiene dos mínimos de energía, o 'pozos, 'para este átomo; cada uno representa un vector de polarización, uno apuntando hacia arriba, el otro abajo, ", dijo Pantelides." Para este material, la teoría predijo cuatro mínimos de energía, lo cual es extremadamente inusual ".
El equipo de investigación descubrió que los dos mínimos de energía adicionales surgen de una segunda fase estructural con el doble de amplitud de polarización y con una posición estable para el átomo de cobre en la brecha de van der Waals. Es más, las constantes piezoeléctricas teóricamente predichas para las dos fases polares en CIPS coincidían con las medidas experimentalmente.
"Esta es la primera observación informada de las propiedades piezoeléctricas y ferroeléctricas de la fase de alta polarización, "dijo Balke, el principal experimentalista del equipo. "Se sabía que el cobre puede entrar en la brecha, pero se desconocían las consecuencias para las propiedades piezoeléctricas y ferroeléctricas. Pero al final, eso es lo que forma bien el cuádruple ".
Sabine Neumayer, miembro del equipo ORNL, adicional, "El pozo cuádruple abre muchas oportunidades interesantes, especialmente porque podemos controlar las transiciones entre estos cuatro estados de polarización diferentes usando la temperatura, presión y campos eléctricos ". Por lo general, Se piensa que los ferroeléctricos son conmutadores entre dos estados. En CIPS, cuatro estados son accesibles.
"CIPS es uno de los primeros materiales ferroeléctricos que es compatible de forma nativa con casi todos los materiales 2-D debido a su estructura de van der Waals. Siempre que tenga fuerzas de van der Waals, significa que puede juntar materiales 2-D y separarlos sin causar daños estructurales importantes, "Peter Maksymovych, otro autor correspondiente, dijo. "La estructura de van der Waals es lo que permite la división de cristales a granel para crear nanoestructuras 2-D con superficies limpias".
Los científicos de todo el mundo se han apresurado a crear una interfaz activa para materiales bidimensionales como el grafeno, un material de un solo átomo de espesor con una movilidad de electrones muy alta. "Imaginamos que en el futuro, una interfaz activa para CIPS puede controlar el grafeno a través de piezoeléctrico, ferroeléctricas y otras propiedades sensibles, "Dijo Maksymovych." Pondrá la inteligencia en el grafeno ".
Michael McGuire de la División de Ciencia y Tecnología de Materiales de ORNL creció y caracterizó los cristales del estudio con Michael Susner, ahora en el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea. "La competencia y coexistencia de múltiples fases en los cristales hace que estos materiales sean particularmente emocionantes e interesantes, ", dijo." La capacidad de estudiar materiales complejos como estos tanto teórica como experimentalmente en una amplia gama de escalas de longitud con técnicas complementarias hace posible este tipo de trabajo en ORNL ".
Los investigadores realizaron experimentos en el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos de ORNL, donde la instrumentación y la experiencia sin igual permitieron mediciones precisas y un análisis e interpretación claros de datos complejos. Los experimentos se basaron en la microscopía de fuerza piezorrespuesta (PFM) para obtener imágenes y controlar los dominios ferroeléctricos en escalas de millonésimas a billonésimas de metros. Una sonda conductora afilada aplica un campo eléctrico a la superficie de una muestra, y la deformación inducida electromecánicamente del material se infiere del desplazamiento de la sonda.
"CNMS es la institución líder mundial en microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica, ", dijo Maksymovych." La gente viene aquí de todo el mundo para medir las propiedades de sus muestras ". Un gran atractivo es la consulta cercana con los miembros del grupo PFM que proporcionan casi medio siglo de experiencia acumulada de innovadores en PFM como Sergei Kalinin y Stephen Jesse, y los mejores nombres en teoría, como Panchapakesan Ganesh y Sokrates Pantelides, todos los autores de este artículo. "Sin esa experiencia de muchos años, la medición en sí misma podría no haber resultado en la imagen cohesiva que obtuvimos, "Dijo Balke.
Maksymovych agregado, "Interpretar los datos de los pozos dobles es un desafío. Los pozos cuádruples son aún más complejos porque ahora tiene múltiples propiedades de conmutación. La secuencia de expansión y contracción puede parecer extraña y poco clara. Solo debido al esfuerzo de Nina y Sabine se normalizó la rareza para que pudiéramos entender exactamente lo que está pasando ".
En estudios futuros, los investigadores sondearán propiedades dinámicas, observando proporciones de alta y baja polarización en materiales tensados; Moviente, estabilizar e incrustar átomos de la nueva fase para hacer un cambio; sondear experimentalmente el comportamiento predicho de los materiales bajo presión; y estudiar cómo se reorientan los dominios ferroeléctricos después de aplicar un campo eléctrico.
El título del artículo es "Cristales de van-der-Waals ferroeléctricos de cuatro pocillos sintonizables".
