Formación de dominios de 180° a nanoescala en PZTMPB tenso Peliculas delgadas. una evolución de la señal ISHG durante el crecimiento continuo de PZTMPB en NSO con búfer SRO (símbolos rojos) y en crecimiento detenido (símbolos negros). Los recuadros ilustran las configuraciones de dominio predominantes durante y después del crecimiento. b Mapa de espacio recíproco (Q⊥ fuera del plano frente a Q|| dentro del plano) alrededor de NSO 420 y PZTMPB 103. El PZTMPB la película está totalmente filtrada con una tetragonalidad extraída c/a de 1,04. Las líneas verticales discontinuas indican las posiciones del pico principal y del satélite. c Sección transversal en Q⊥ fijo a lo largo de la distribución de intensidad alrededor del PZTMPB 103 reflexión. d Imagen HAADF-STEM con mapa de dipolo ferroeléctrico superpuesto visto a lo largo del eje de la zona [010]. Las flechas amarillas revelan la presencia de dominios de 180° con polarización opuesta delimitados por las líneas blancas discontinuas. Las flechas blancas representan la polarización neta de cada nanodominio. Barra de escala, 4 nm. Crédito:Comunicaciones de la naturaleza (2022). DOI:10.1038/s41467-022-30823-5
Los materiales ferroeléctricos han encontrado un uso generalizado en la tecnología cotidiana, principalmente debido a su polarización eléctrica que se puede cambiar entre dos estados distintos. Superar el límite binario de los ferroeléctricos para lograr cualquier valor arbitrario de la polarización ha sido un desafío de larga data, pero tiene el potencial de expandir enormemente el alcance de las aplicaciones ferroeléctricas, por ejemplo, hacia la computación neuromórfica.
La electrónica moderna es un mundo digital, donde la información se genera, almacena y procesa en forma de ceros y unos. Por lo tanto, para cumplir su función, muchos componentes electrónicos se basan en materiales que son inherentemente binarios. En los discos duros magnéticos, por ejemplo, la información se codifica en la magnetización remanente de un ferromagneto que se define por la conocida histéresis magnética y puede tomar exactamente dos valores distintos. Los dominios magnéticos en el disco duro (es decir, regiones con una magnetización uniforme) constituyen entonces bits de memoria.
Si bien la electrónica binaria sin duda ha llevado a innumerables logros, está alcanzando sus límites fundamentales relacionados con el tamaño. Además, este enfoque binario no ha sido práctico para imitar los sistemas biológicos analógicos, como la transmisión sináptica en el cerebro, que son muy prometedores como base para la electrónica neuromórfica de próxima generación altamente eficiente.
Centrándose en los ferroeléctricos (materiales con una polarización eléctrica espontánea conmutable), los investigadores del Laboratorio de Materiales Ferroicos Multifuncionales y el Centro de Microscopía Electrónica de EMPA ahora se han dado cuenta con éxito de la capacidad de establecer cualquier valor arbitrario de la polarización en remanencia. Lo lograron en películas delgadas de titanato de circonato de plomo (PbZrx Ti1-x O3 , abreviado PZT), el material ferroeléctrico tecnológicamente más relevante que ha encontrado un uso generalizado, por ejemplo, en sensores de presión o dispositivos ultrasónicos debido a sus propiedades piezoeléctricas.
Para lograr esta capacidad de conmutación continua de la polarización, el equipo combinó dos aspectos particulares en su enfoque de diseño. En primer lugar, se centraron en una composición química de PZT que se encuentra cerca de una inestabilidad de fase, donde incluso los campos eléctricos pequeños pueden inducir respuestas de materiales muy grandes, como la deformación mecánica. En segundo lugar, eligieron preparar películas epitaxiales con un grosor de solo unos pocos nanómetros, donde la tensión inducida por el sustrato monocristalino subyacente actúa como una manija para controlar la arquitectura del dominio ferroeléctrico.
Con base en esta estrategia, los investigadores prepararon las películas utilizando un sistema de deposición láser pulsado atómicamente preciso equipado con herramientas de monitoreo in situ de última generación y lograron obtener una configuración de dominio en las películas PZT que consiste en partículas nanoscópicas dispuestas al azar (≈10 nm). dominios Sorprendentemente, encontraron que la aplicación de un campo eléctrico permite revertir la polarización en cada dominio sin cambiar el tamaño del dominio nanométrico. Debido a que los dominios exhiben una amplia distribución de barreras de conmutación, fue además posible conmutar solo una fracción de los dominios con un valor de voltaje aplicado. Por lo tanto, al promediar un puñado de dominios, pudieron estabilizar cualquier valor de la polarización en remanencia entre estados despolarizados y completamente saturados.
Para demostrar la relevancia tecnológica de un control continuo de polarización a nanoescala, los investigadores realizaron dos experimentos de prueba de concepto. Para su primera aplicación, demostraron que al controlar espacialmente la polarización neta es posible ajustar la eficiencia para duplicar la frecuencia óptica (generación de segundo armónico), una propiedad que juega un papel importante en las aplicaciones fotónicas. En segundo lugar, demostraron una capacidad de ajuste casi continua de la corriente del túnel que fluye a través de la película PZT según la polarización neta. Más allá de ofrecer una lectura no destructiva de la polarización, esta manipulación del flujo de corriente abre interesantes posibilidades para la fabricación de sinapsis artificiales.
Su estudio se publica en Nature Communications . Los físicos descubren un mecanismo inducido por la luz para controlar la polarización ferroeléctrica
