search
ruРусский
banner
Дом / Новости / Окно двунаправленного механического переключения в тонких сегнетоэлектрических пленках предсказано впервые
Новости
pageSearch
Последние новости

Окно двунаправленного механического переключения в тонких сегнетоэлектрических пленках предсказано впервые

Dec 13, 2023Dec 13, 2023

npj Расчетные материалы, том 8, Номер статьи: 137 (2022) Цитировать эту статью

1238 Доступов

5 цитат

Подробности о метриках

Механический контроль эволюции сегнетоэлектрических доменов вызвал большой интерес в последнее десятилетие. Тем не менее, двунаправленное механическое переключение на 180°, т.е. полный цикл механической записи и последующего стирания сегнетоэлектрического нанодомена, еще не реализовано в архитектурах с игл-пленкой. Здесь, с помощью молекулярно-динамического моделирования, основанного на первых принципах, мы демонстрируем, что двунаправленное механическое переключение на 180 ° возможно в архитектурах с наконечником-пленкой, когда условия экранирования сегнетоэлектрических пленок и сила нагрузки на наконечник находятся в соответствующем окне. В переключении используется деликатная конкуренция между флексоэлектрическим полем и упущенным из виду эффективным диполярным полем. Эффективное диполярное поле доминирует при небольшой силе иглы и переключении триггера из нисходящего однодоменного состояния в восходящее полидоменное состояние, тогда как флексоэлектрическое поле доминирует при относительно большой силе иглы и обеспечивает обратное переключение. Двунаправленное механическое переключение достигается путем приложения импульсов силы наконечника с попеременной силой. Динамика диполь-дипольного взаимодействия играет важную роль в механическом переключении.

Сегнетоэлектрики характеризуются постоянной электрической поляризацией при температуре Кюри, которую можно переключить электрическим полем, превышающим коэрцитивную величину. Переключаемые поляризации и связанные с ними доменные структуры поддерживаются вплоть до наномасштаба и непосредственно лежат в основе огромных коммерциализированных и новых передовых применений сегнетоэлектриков, таких как энергонезависимые запоминающие устройства1,2, нейроморфные устройства3,4, высокочастотные гибкие микроволновые устройства5 и т. д. Понимание основных механизмов сегнетоэлектриков переключение является предпосылкой для приложений устройств на основе доменных структур и для дальнейшего управления функциональными возможностями сегнетоэлектриков с помощью доменной инженерии. Большие усилия были предприняты в поисках детерминированного и простого управления сегнетоэлектрическими доменными структурами, в частности, локальными манипуляциями6,7. В настоящее время электрические поля острия обычно используются для локального манипулирования сегнетоэлектрическими доменными структурами8,9,10,11, но с неизбежными полевыми явлениями, такими как инжекция заряда и пробой. Чтобы облегчить неблагоприятные последствия электрического переключения и реализовать сценарии применения, используются различные стратегии переключения, например, оптические12,13, термические14,15,16, химические17,18, механические19,20,21,22,23,24,25,26, Стратегии переключения 27,28 и гибридные29,30 изучались как альтернативные способы управления сегнетоэлектрическими доменами.

Механически индуцированное локальное переключение доменов попадает в поле зрения исследователей из-за повторного рассмотрения эффекта электромеханического взаимодействия высокого порядка, т.е. флексоэлектрического эффекта, который, как сообщается, в последнее время значительно усиливается в наноразмерных сегнетоэлектриках31,32,33. В результате градиенты деформации нарушают симметрию решетки и генерируют эквивалентное электрическое поле — флексоэлектрическое поле, что указывает на многообещающую альтернативу переключению сегнетоэлектрической поляризации при правильных обстоятельствах. Важная работа была проделана Lu et al. который экспериментально продемонстрировал детерминированное изменение сегнетоэлектрической поляризации вниз на 180° в тонкой пленке BaTiO3 (BTO) путем нажатия на наконечник атомно-силового микроскопа (АСМ)19. Такое механическое переключение обеспечивает возможность локального управления поляризацией без напряжения в сегнетоэлектриках и, как полагают, облегчает неблагоприятные последствия электрического переключения на сегнетоэлектрические устройства, такие как возникновение инжекции заряда, тока утечки и электрического пробоя. С тех пор интерес к флексоэлектричеству возобновился и вызвал дискуссии о возможности переключения сегнетоэлектрических доменов «неэлектрическим путем». В сегнетоэлектриках были предложены различные концепции наноэлектромеханических устройств, основанные на механическом управлении поляризацией сегнетоэлектриков19,25,29,34,35,36,37,38,39.

 0.99, while PD state has lower total energy than the SD state when β < 0.99. This is to say, the SD state is energetically more favorable when the surface screening condition is near the ideal SC condition, while the PD state is more stable under poor charge screening conditions as illustrated in Fig. 2b./p> \(\left| {E_{{{\mathrm{c}}}}^ + } \right|\) when β > 0.967, and \(\left| {E_{{{\mathrm{c}}}}^ - } \right|\) < \(\left| {E_{{{\mathrm{c}}}}^ + } \right|\) when β < 0.967. To describe the asymmetry of the coercive fields, we introduce an asymmetric parameter \(\delta = \left[ {\left( {\left| {E_{{{\mathrm{c}}}}^ + } \right| - \left| {E_{{{\mathrm{c}}}}^ - } \right|} \right)/\left( {\left| {E_{{{\mathrm{c}}}}^ + } \right| + \left| {E_{{{\mathrm{c}}}}^ - } \right|} \right)} \right] \times 100\%\)49. δ > 0 represents that the hysteresis loop is shifted to the +Ez direction and indicates an easier writing process (SD→PD); whereas δ < 0 represents that the hysteresis loop is shifted to the –Ez direction and indicates an easier easing process (PD→SD). δ = 0 gives the symmetric hysteresis loops with equal \(\left| {E_{{{\mathrm{c}}}}^ + } \right|\) and \(\left| {E_{{{\mathrm{c}}}}^ - } \right|\). The β dependence of δ is shown in Fig. 3e. We can see that the hysteresis loops are shifted to –Ez direction when β > 0.967 whereas they are shifted to +Ez direction when β < 0.967. It is important to note that δ increases from –18% to about 60% as β decrease from 1.0 to 0.87, the β dependence of which is unexpectedly large. Perfectly symmetric hysteresis loop can only be found at the rigorous screening condition of β = 0.967. Besides the asymmetry in coercive fields, the remnant polarization of the initial SD state (denoted as \(\left| {P_{{{\mathrm{r}}}}^ + } \right|\)) and that of the PD state (denoted as \(\left| {P_{{{\mathrm{r}}}}^ - } \right|\)) are also obviously asymmetric. From Fig. 3d, as β decreases from 1.0 to 0.87, \(\left| {P_{{{\mathrm{r}}}}^ + } \right|\) decreases significantly from 0.57 to 0.38 C m−2, whereas \(\left| {P_{{{\mathrm{r}}}}^ - } \right|\) decreases slightly from 0.53 to 0.50 C m−2, which remains almost unchanged compared with \(\left| {P_{{{\mathrm{r}}}}^ + } \right|\). Similarly, we define a parameter θ to describe the asymmetry of the remnant polarization as \(\theta = \left[ {\left( {\left| {P_{{{\mathrm{r}}}}^ + } \right| - \left| {P_{{{\mathrm{r}}}}^ - } \right|} \right)/\left( {\left| {P_{{{\mathrm{r}}}}^ + } \right| + \left| {P_{{{\mathrm{r}}}}^ - } \right|} \right)} \right] \times 100\%\). As shown in Fig. 3f, we have \(\left| {P_{{{\mathrm{r}}}}^ + } \right|\) > \(\left| {P_{{{\mathrm{r}}}}^ - } \right|\) when β > 0.967, and \(\left| {P_{{{\mathrm{r}}}}^ + } \right|\) < \(\left| {P_{{{\mathrm{r}}}}^ - } \right|\) when β < 0.967; θ decreases from 4% to –14% as β decrease from 1.0 to 0.87./p> 0.87 according to Fig. 2c and e), the effective dipolar field works as a depolarization field as discussed above. However, the SD state usually remains metastable, and no switching occurs spontaneously due to the energy barrier between the SD and PD states, which is small but cannot be thermally overcome (Fig. 2b). Applying a mechanical load to the loading area of the film causes deformation nearby the loading area. If we neglect the mechanical loading induced strain gradients and flexoelectric field, it is interesting to find that the mechanical loading induced strains can help decrease the switching barrier of the dipoles in the loading area, enabling SD→PD switching. Investigation on the local mechanical domain switching in BTO thin films mediated by the effective dipolar field at different surface screening conditions is carried out by MD simulations (Supplementary Fig. 4). We would like to emphasize that the mechanical switching of ferroelectric domains mediated by the effective dipolar field is SD→PD switching, which can be either upwards to downwards (up-to-down) or downwards to upwards (down-to-up). Moreover, such dipolar-field-assisted switching in ferroelectric thin films is also expected to take place by laser heating of the loading area. Actually, it has been verified in magnetic systems that when a laser spot destructs the domain nearby, the remaining domain generates an effective magnetic field to switch the destructed domain50./p>4.0 eV) to reduce the effect of band bending, and the quality of the samples should be high with a low density of defects, and the experimental environment should exclude the influence of air charge adsorption. It is also noteworthy that, due to the limitations of the computational scales, we have adopted a simplified point force model to trigger mechanical switching. While this can be approached in experiment by fabricating a sharp AFM tip, in practice, AFM tips are much blunter with radius larger than 10 nm. The exact window of bidirectional mechanical switching is expected to be modified by the model-dependent strain fields (Supplementary Fig. 9), though they will not alter our main conclusion./p>

Предыдущий: Аниме Следующий: С 1 июля вступят в силу изменения в пошлинах за титул DMV и механизме финансирования.
Отправить запрос
Отправлять