Titanato de bario-estroncio sensible a la deformación (Ba _X -Sr _1-x -TiO ₃ ) Los sistemas de perovskita se utilizan ampliamente por sus comportamientos dieléctricos no lineales superiores. En un nuevo informe sobre Avances científicos, D.L. Ko y un equipo de investigación en ciencia e ingeniería de materiales, física, Ingeniería electrónica y de la información en Taiwán, Hong Kong y los EE. UU. Han desarrollado nuevas heteroestructuras, incluida la paraeléctrica Ba _0,5 Sr _0,5 TiO ₃ (BSTO) y BaTiO ferroeléctrico ₃ (BTO) epitaxialmente sobre un sustrato moscovita flexible. La aplicación de fuerza mecánica mediante flexión simple reguló la constante dieléctrica (potencial de energía eléctrica) para BSTO en un rango de -77 a 36%, así como la corriente del canal de los transistores de efecto de campo ferroeléctrico basados ​​en BTO, por dos órdenes. Ko y col. estudió el mecanismo detallado mediante la exploración de la transición de fase y la determinación de la estructura de banda para implementar simulaciones de campo de fase y proporcionar apoyo teórico. El campo abre una nueva vía para componentes mecánicamente controlables basados ​​en heteroepitaxia de óxido de alta calidad.

La configuración periódica de átomos en un sólido es una consecuencia de la minimización de energía, donde los átomos involucrados y su disposición correspondiente pueden determinar las propiedades de los materiales. Como resultado, Los científicos de materiales pueden ajustar dinámicamente la periodicidad de las disposiciones de los átomos o las aplicaciones de tensión en un enfoque fundamental para ajustar las funcionalidades de los materiales. Los investigadores habían propuesto previamente varios enfoques para imponer tensión a los materiales, incluida la aplicación de presión hidrostática para observar el cambio de los picos de difracción a través del análisis de rayos X como evidencia directa de la alteración de la red a través de la fuerza externa. Por ejemplo, estímulos externos como campos magnéticos, los campos eléctricos y la iluminación de la luz pueden sufrir un cambio de celosía debido a la magnetostricción, electrostricción y fotostricción. El concepto de aplicar fuerza mecánica a los materiales se puede realizar mediante el doblado manual, ya que es el método más simple para provocar la deformación del material. Para imponer tensión sin la absorción por formación de defectos, Los científicos de materiales requieren materiales de alta calidad, como monocristales o películas epitaxiales, aunque la mayoría de los cristales individuales no se pueden doblar mecánicamente.

Las moscovitas de óxido en capas bidimensionales (2-D) son un candidato elegible debido a su flexibilidad mecánica superior y alto punto de fusión (~ 1260 ⁰ C hasta 1290 ⁰ C). Si se puede aplicar una deformación a una red dieléctrica no lineal, entonces puede cambiar su capacidad de almacenamiento de carga y la magnitud de la polarización ferroeléctrica. Los materiales dieléctricos no lineales ofrecen un fuerte acoplamiento entre la estructura y las propiedades de la celosía y entre los dieléctricos no lineales tradicionales, perovskita no tóxica Ba _X Sr _1-x TiO ₃ Los sistemas han demostrado una alta sensibilidad a la aplicación de deformaciones. Como resultado, Ko y col. Ba paraeléctrico seleccionado _0,5 Sr _0,5 TiO ₃ (BSTO) y BaTiO ferroeléctrico ₃ como sistemas modelo en el presente estudio para exhibir control por flexión mecánica.

El equipo de investigación sintonizó la transición de fase ferroeléctrica a paraeléctrica del Ba _X Sr _1-x TiO ₃ sistema para controlar las correspondientes propiedades dieléctricas y ferroeléctricas mediante flexión mecánica. Usaron capacitancia-voltaje (CV), Mediciones de voltaje de polarización (PV) y corriente-voltaje (IV) para caracterizar la constante dieléctrica de BSTO y las propiedades ferroeléctricas de BTO. También construyeron un transistor de efecto de campo ferroeléctrico (FeFET) sobre la base de BTO con una capa semiconductora de óxido de zinc dopado con aluminio (AZO) de alta movilidad y midieron su corriente de canal para estudiar el efecto de flexión en el capacitor BSTO y BTO FeFET. El equipo observó el cambio de celosía bajo flexión usando espectroscopía Raman y utilizó espectroscopía de fotoelectrones de rayos X para resaltar la influencia de la polarización BTO en la estructura electrónica en la capa semiconductora AZO bajo diversas condiciones de flexión.

Ko y col. diseñó el condensador BSTO y los sistemas BTO FeFET en sustratos de moscovita con una cristalinidad superior, que el equipo examinó mediante difracción de rayos X. Observaron una alta calidad cristalina de la heteroestructura sin fases secundarias y calcularon la calidad cristalina de cada capa utilizando la medición de la curva de oscilación. Para examinar la microestructura del material, caracterizaron la heteroestructura con microscopía electrónica de transmisión de alta resolución e investigaron la deformación por flexión mecánica utilizando sustratos de moscovita debido a su flexibilidad mecánica. donde las moscovitas más delgadas mostraron una mejor flexión durante los experimentos.

El equipo impuso tensión mediante flexión mecánica para observar cambios en la ferroelectricidad de BTO y la constante dieléctrica de BSTO. Llevaron a cabo mediciones de voltaje de capacitancia (CV) y voltaje de polarización (PV) para comprender si la intensidad de polarización de BTO se debilitaba gradualmente bajo la flexión mecánica. La sintonización eléctrica del condensador BSTO alcanzó alrededor del 60 al 70%, indicando una alta calidad de las heteroestructuras, y la constante dieléctrica podría ser regulada por el campo eléctrico solo, mientras aumenta o disminuye bajo curvaturas de flexión positivas (deformación por tracción) y negativas (deformación por compresión). Ko y col. ajustó la cantidad de carga almacenada en este material dieléctrico estirando la arquitectura de celosía y señaló que los comportamientos relativos a las propiedades dieléctricas no lineales podrían controlarse y repetirse bajo flexión mecánica, con gran potencial en la práctica.

Luego, el equipo investigó la capacidad de la flexión mecánica para alterar las propiedades ferroeléctricas a través de múltiples mediciones, incluida la espectroscopia Raman dependiente de la temperatura para estudiar la transición de fase de los materiales ferroeléctricos. Los resultados proporcionaron evidencia directa para controlar el estado ferroeléctrico mediante flexión mecánica y una mayor optimización del diseño del dispositivo les permitió convertir un condensador ferroeléctrico simple y sintonizable en un transistor controlado mecánicamente. Tanto la flexión por compresión como por tracción redujeron la corriente en estado activado, pero el efecto de deformación fue obvio bajo la flexión por tracción. Los científicos confirmaron que el sustrato AZO / BTO / SRO (rutenato de estroncio) / moscovita es un transistor controlable mecánicamente. El equipo confirmó estos efectos utilizando microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica (PFM) y microscopía de fuerza de sonda Kelvin (KPFM).

De este modo, D.L. Ko y sus colegas desarrollaron un condensador heteroepitaxial de óxido flexible y FeFET, utilizando BSTO paraeléctrico, BTO ferroeléctrico y capas de AZO semiconductoras sobre un sustrato de moscovita 2-D. El condensador BSTO mostró una alta capacidad de sintonización de su constante dieléctrica bajo flexión mecánica. En el componente FeFET, alcanzaron un cambio de dos órdenes de magnitud en la relación de corriente de encendido / apagado en relación con la ferroelectricidad BTO. Los resultados del estudio les proporcionaron conocimientos fundamentales sobre el mecanismo, en el que las propiedades eléctricas flexibles y ajustables eran posibles mediante un simple doblado mecánico. Este avance proporcionará un camino prometedor para futuras aplicaciones de tecnología sintonizable mecánicamente.

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