Antiferoelektrické materiály mají elektrické vlastnosti, které jsou vhodné v aplikacích pro ukládání energie s vysokou hustotou. Vědci nyní objevili hranici velikosti, při jejímž překročení zřejmě antiferoelektrika své vlastnosti ztrácejí a stávají se feroelektrickými.
Podle nové studie se tenká vrstva antiferomagnetického materiálu stane při další miniaturizaci příliš tenkou a dojde k fázovému přechodu. Z hlediska ukládání energie to asi není dobrá zpráva, ale zase by pak takový materiál mohl být použitelný např. jako paměť.
Antiferoelektrické materiály mají krystalickou strukturu, což znamená, že se skládají z pravidelně se opakujících jednotek. Každá taková jednotka v krystalické struktuře má elektrický dipól (kladný náboj na jedné straně a naopak). Zvláštností antiferoelektrických materiálů je, že se tyto dipóly střídají mezi jednotlivými jednotkami v celé struktuře. Má-li jedna jednotka kladný náboj nahoře a záporný náboj dole, vedle tomu bude pravděpodobně naopak. Pravidelné rozložení dipólů pak znamená, že v makrorozměrech antiferoelektrické materiály elektrické náboje/pole nemají (nalogicky jako materiály antiferomagnetické).
V nové studii vědci zkoumali membrány z niobanu sodného NaNbO3. Antiferoelektrické tenké vrstvy se obvykle pěstují na substrátu. Předchozí pokusy o posouzení možných účinků souvisejících s tloušťkou antiferoelektrických tenkých vrstev se zabývaly tenkými vrstvami, když byly ještě připojeny k vrstvě substrátu. Pak ale nebylo jasné, jak vlastnosti materiálu ovlivňují interakce a deformace v místě kontaktu. Autoři nového výzkumu proto mezi antiferoelektrikum a substrát umísťovali mezivrstvu a tu pak vždy selektivně vyleptali. Díky tomu mohli testovat samostatné vrstvy s tloušťkou mezi 9 a 164 nm.
A výsledek? Už při 164 nm se antiferoelektrická struktura stávala nestabilní a některé oblasti začaly získávat povahu feroelektrika. Při 40 nm byl pak fázový přechod dokončen a materiál se stal feroelektrickým. Navíc už do 164 nm bylo možné pomocí vnějšího elektrického pole přeměnit antiferoelektrické oblasti a feroelektrické a tato změna nebyla vratná.
Hlavní autorka výzkumu Ruijuan Xu z North Carolina State University uvádí, že příčinou fázového přechodu jsou zřejmě strukturní změny (distorze) na povrchu materiálu. Čím tlustší je vrstva, tím méně mohou ovšem procesy na povrchu ovlivnit materiál jako celek.
Samozřejmě zbývá prozkoumat, zda efekt zaznamenaný zaznamenaný u jednoho konkrétního materiálu má nějakou univerzálnější povahu. Pokud ano, pak půjde ovšem o dost významný jev z hlediska konkrétních aplikací této třídy látek v elektronice.
Ruijuan Xu et al, Size‐Induced Ferroelectricity in Antiferroelectric Oxide Membranes, Advanced Materials (2023). DOI: 10.1002/adma.202210562
Zdroj: North Carolina State University / Phys.org
