اکتشافات بزرگ در مقیاس کوچک: کاهش ضخامت لایه‌های آنتیفروالکتریک، آن‌ها را به فروالکتریک تبدیل می‌کند
| تاریخ ارسال: 1402/9/28 |
اکتشافات بزرگ در مقیاس کوچک: کاهش ضخامت لایه‌های آنتیفروالکتریک، آن‌ها را به فروالکتریک تبدیل می‌کند
طرح‌واره‌ی فرآیند برداشتن لایه‌های نازک a r O
با وجود اینکه تقریباً ۷۰ سال از مرگ آلبرت انیشتین می‌گذرد، فیزیکدانان هنوز به دنبال «تئوری همه چیز»، یعنی یک چارچوب فرضی فراگیر که فیزیک کل جهان را در یک معادله توضیح می‌دهد هستند. ماده در بزرگ‌ترین و کوچک‌ترین مقیاس رفتار بسیار متفاوتی دارد و یافتن معادله‌ای که بتواند هر دو حالت را توضیح دهد تاکنون غیر ممکن بوده است و این موضوع منجر به تلخی اوقات فیزیکدانان شده‌است.
اگرچه برای فیزیکدانان آزار‌دهنده است، اما خواص مواد که در مقیاس‌های بسیار کوچک ظاهر می‌شوند برای دانشمندان مواد هیجان‌انگیز است. انتظار می‌رود صنایع، از کشاورزی گرفته تا محاسبات کامپیوتری، از انقلاب در حال انجام علم و فناوری نانو بهره‌مند شوند.
یک دسته از موادی که به طور گسترده در مورد اثر اندازه بررسی شده‌اند، مواد فروالکتریک هستند. فروالکتریسیته خاصیت برخی مواد است که دارای قطبش الکتریکی خودبه‌خودی هستند، که این قطبش از طریق اعمال میدان‌های الکتریکی خارجی برگشت‌پذیر است. قطبش الکتریکی خودبه‌خود در فروالکتریک‌ها به این مواد اجازه می‌دهد تا چیزی به نام رفتار خازنی منفی را از خود نشان دهند، که برخی از محققان معتقدند در آینده نحوه‌ی کوچک‌سازی قطعات الکترونیکی را متحول خواهد کرد. از سوی دیگر اما، مطالعات بسیار کمتری در مورد چگونگی تکامل ساختار و خواص در مواد آنتیفروالکتریک با ابعاد کاهش‌یافته انجام شده‌است.
مواد آنتیفروالکتریک مشابه مواد فروالکتریک هستند، بدین معنا که هر دو از یک آرایه‌ی منظم (کریستال) از دوقطبی‌های الکتریکی تشکیل شده‌اند. با این حال، دوقطبی‌های مجاور در آنتی‌فروالکتریک‌ها در جهت مخالف هستند و منجر به خنثی‌شدن یک دیگر می‌شوند و در نتیجه هیچ قطبشی در مقیاس ماکرو ایجاد نمی‌شود. در مقابل، دوقطبی‌های فروالکتریک همه در یک جهت قرار می‌گیرند، که منجر به قطبش ماکروسکوپی می‌شود. یک میدان الکتریکی با قدرت کافی می‌تواند آنتی‌فروالکتریک‌ها را وادار به انتقال فاز به فاز فروالکتریک (یعنی ترتیب دوقطبی موازی) کند. این رفتار باعث می‌شود که آنتی‌فروالکتریک‌ها برای استفاده در خازن‌های با چگالی انرژی بالا مورد توجه قرار گیرند.
درک اثرات اندازه در آنتی‌فروالکتریک‌ها امکان استفاده‌ی بهینه از آن‌ها را در قطعات الکترونیکی مینیاتوری فراهم می‌کند. بنابراین، گروهی از محققان از چندین دانشگاه و آزمایشگاه ملی در ایالات متحده‌ی آمریکا و فرانسه این اثرات را بررسی کردند و مقاله‌ی با دسترسی آزاد آن‌ها، یک کشف شگفت‌انگیز را گزارش می‌دهد.
یک دسته از موادی که به طور گسترده در مورد اثر اندازه بررسی شده‌اند، مواد فروالکتریک هستند. فروالکتریسیته خاصیت برخی مواد است که دارای قطبش الکتریکی خودبه‌خودی هستند، که این قطبش از طریق اعمال میدان‌های الکتریکی خارجی برگشت‌پذیر است. قطبش الکتریکی خودبه‌خود در فروالکتریک‌ها به این مواد اجازه می‌دهد تا چیزی به نام رفتار خازنی منفی را از خود نشان دهند، که برخی از محققان معتقدند در آینده نحوه‌ی کوچک‌سازی قطعات الکترونیکی را متحول خواهد کرد. از سوی دیگر اما، مطالعات بسیار کمتری در مورد چگونگی تکامل ساختار و خواص در مواد آنتیفروالکتریک با ابعاد کاهش‌یافته انجام شده‌است.
مواد آنتیفروالکتریک مشابه مواد فروالکتریک هستند، بدین معنا که هر دو از یک آرایه‌ی منظم (کریستال) از دوقطبی‌های الکتریکی تشکیل شده‌اند. با این حال، دوقطبی‌های مجاور در آنتی‌فروالکتریک‌ها در جهت مخالف هستند و منجر به خنثی‌شدن یک دیگر می‌شوند و در نتیجه هیچ قطبشی در مقیاس ماکرو ایجاد نمی‌شود. در مقابل، دوقطبی‌های فروالکتریک همه در یک جهت قرار می‌گیرند، که منجر به قطبش ماکروسکوپی می‌شود. یک میدان الکتریکی با قدرت کافی می‌تواند آنتی‌فروالکتریک‌ها را وادار به انتقال فاز به فاز فروالکتریک (یعنی ترتیب دوقطبی موازی) کند. این رفتار باعث می‌شود که آنتی‌فروالکتریک‌ها برای استفاده در خازن‌های با چگالی انرژی بالا مورد توجه قرار گیرند.
درک اثرات اندازه در آنتی‌فروالکتریک‌ها امکان استفاده‌ی بهینه از آن‌ها را در قطعات الکترونیکی مینیاتوری فراهم می‌کند. بنابراین، گروهی از محققان از چندین دانشگاه و آزمایشگاه ملی در ایالات متحده‌ی آمریکا و فرانسه این اثرات را بررسی کردند و مقاله‌ی با دسترسی آزاد آن‌ها، یک کشف شگفت‌انگیز را گزارش می‌دهد.
به طور سنتی، جمع‌آوری داده در مورد اثرات اندازه در آنتی‌فروالکتریک‌ها با توجه به نحوه‌ی ساخت لایه‌های نازک آنتیفروالکتریک پیچیده است. این لایه‌‌ها بر روی بسترهای تجاری موجود با ساختارهای شبکه‌ای مختلف رشد می‌کنند. عدم تطابق شبکه بین زیرلایه و لایه‌ی نازک، آنتیفروالکتریک را تحت کرنش قرار می‌دهد، بنابراین جدا کردن اثرات کرنش از اثرات اندازه چالش‌برانگیز است. برای غلبه بر این چالش، راه حلی که محققان معرفی کردند، یک لایه‌ی بافر جداشونده بین لایه‌ی نازک سدیم نیوبات بدون سرب( NaNbo۳ )و بستر بود. این لایه‌ی بافر اجازه می‌دهد تا فیلم پس از رشد به ضخامت مورد نظر، از بستر جدا شود. پس از جدا شدن، محققان از روش‌های تجربی مختلفی برای ارزیابی لایه‌های بدون کرنش در ضخامت‌های ۹ تا ۱۶۴ نانومتر استفاده کردند.
اندازه‌گیری‌های نوری و واکنش پیزو نشان داد که وقتی لایه‌های NaNbo۳ نازک‌تر از ۴۰ نانومتر هستند، کاملا فروالکتریک می‌شوند. برای ضخامت‌های بالاتر از ۴۰ نانومتر، لایه‌‌ها حاوی مخلوطی از مناطق آنتیفروالکتریک و فروالکتریک هستند. اما اگر میدان الکتریکی کافی اعمال شود، نواحی آنتیفروالکتریک تحت یک انتقال غیرقابل برگشت به فروالکتریک قرار می‌گیرند و در نتیجه یک لایه‌ی نازک کاملا فروالکتریک در ضخامت‌های تا ۱۶۴ نانومتر ایجاد می‌شود.
این نتایج غیرمنتظره محققان را بر آن داشت تا با انجام محاسبات پایه‌ای، تعیین کنند چه چیزی باعث انتقال آنتیفروالکتریک به فروالکتریک می‌شود. آن‌ها تعیین کردند که اثرات سطحی ،به طور خاص، نسبت c/a, علت اصلی است. نسبت c/a راهی برای توصیف شکل یک شبکه است. هر چه این نسبت بیشتر باشد، ساختار شبکه اعوجاج بیشتری دارد. هنگامی که ضخامت فیلم کاهش می‌یابد، نسبت c/a بالاتری وجود دارد و این اعوجاج ساختاری به تثبیت فاز فروالکتریک کمک می‌کند. در مقابل، یک فیلم ضخیم‌تر، دارای نسبت c/a کمتری است که به نفع فاز آنتیفروالکتریک است.
محققان هشدار می‌دهند که بسیاری از عوامل در محاسبات پایه‌ای در نظر گرفته نشده‌اند، مانند وجود نقص‌های ساختاری یا ناهمگنی‌ها. به این ترتیب، تطابق بین آزمایش‌ها و تئوری باید به جای کمی، کیفی در نظر گرفته شود. آن‌ها همچنین به این احتمال اشاره می‌کنند که فاز فروالکتریک، می‌تواند نتیجه‌ی فرآیند سنتز باشد.
در متن مقاله گزارش شده‌است: «توجه داشته باشید که فاز آنتیفروالکتریک
همچنین اضافه می‌کنند: «آسایش از فاز فروالکتریک تحت کرنش به فاز آنتیفروالکتریک بدون کرنش، مستلزم غلبه بر یک سد انرژی است. اگر بزرگی چنین سد انرژی‌ای در لایه‌های نازک به دلیل ابعاد یا اثرات سطحی افزایش یابد، لایه‌های نازک در طی فرایند لایه‌برداری می‌توانند در حالت فروالکتریک اولیه خود باقی بمانند.»
در ایمیلی، Ruijuan Xu، نویسنده‌ی اصلی این مقاله، استادیار دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی، می‌گوید که اکنون در حال کار بر روی ساخت خازن‌های مبتنی بر لایه‌ی نازک NaNbo۳ برای بررسی خواص الکتریکی در مقیاس ماکرو هستند. او می گوید: «ما امیدواریم که به توانایی دستکاری پایداری فاز و به‌دست‌آوردن خواص الکتریکی بهبودیافته در خازن‌های
مقاله‌ی مرجع:
اندازه‌گیری‌های نوری و واکنش پیزو نشان داد که وقتی لایه‌های NaNbo۳ نازک‌تر از ۴۰ نانومتر هستند، کاملا فروالکتریک می‌شوند. برای ضخامت‌های بالاتر از ۴۰ نانومتر، لایه‌‌ها حاوی مخلوطی از مناطق آنتیفروالکتریک و فروالکتریک هستند. اما اگر میدان الکتریکی کافی اعمال شود، نواحی آنتیفروالکتریک تحت یک انتقال غیرقابل برگشت به فروالکتریک قرار می‌گیرند و در نتیجه یک لایه‌ی نازک کاملا فروالکتریک در ضخامت‌های تا ۱۶۴ نانومتر ایجاد می‌شود.
این نتایج غیرمنتظره محققان را بر آن داشت تا با انجام محاسبات پایه‌ای، تعیین کنند چه چیزی باعث انتقال آنتیفروالکتریک به فروالکتریک می‌شود. آن‌ها تعیین کردند که اثرات سطحی ،به طور خاص، نسبت c/a, علت اصلی است. نسبت c/a راهی برای توصیف شکل یک شبکه است. هر چه این نسبت بیشتر باشد، ساختار شبکه اعوجاج بیشتری دارد. هنگامی که ضخامت فیلم کاهش می‌یابد، نسبت c/a بالاتری وجود دارد و این اعوجاج ساختاری به تثبیت فاز فروالکتریک کمک می‌کند. در مقابل، یک فیلم ضخیم‌تر، دارای نسبت c/a کمتری است که به نفع فاز آنتیفروالکتریک است.
محققان هشدار می‌دهند که بسیاری از عوامل در محاسبات پایه‌ای در نظر گرفته نشده‌اند، مانند وجود نقص‌های ساختاری یا ناهمگنی‌ها. به این ترتیب، تطابق بین آزمایش‌ها و تئوری باید به جای کمی، کیفی در نظر گرفته شود. آن‌ها همچنین به این احتمال اشاره می‌کنند که فاز فروالکتریک، می‌تواند نتیجه‌ی فرآیند سنتز باشد.
در متن مقاله گزارش شده‌است: «توجه داشته باشید که فاز آنتیفروالکتریک
همچنین اضافه می‌کنند: «آسایش از فاز فروالکتریک تحت کرنش به فاز آنتیفروالکتریک بدون کرنش، مستلزم غلبه بر یک سد انرژی است. اگر بزرگی چنین سد انرژی‌ای در لایه‌های نازک به دلیل ابعاد یا اثرات سطحی افزایش یابد، لایه‌های نازک در طی فرایند لایه‌برداری می‌توانند در حالت فروالکتریک اولیه خود باقی بمانند.»
در ایمیلی، Ruijuan Xu، نویسنده‌ی اصلی این مقاله، استادیار دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی، می‌گوید که اکنون در حال کار بر روی ساخت خازن‌های مبتنی بر لایه‌ی نازک NaNbo۳ برای بررسی خواص الکتریکی در مقیاس ماکرو هستند. او می گوید: «ما امیدواریم که به توانایی دستکاری پایداری فاز و به‌دست‌آوردن خواص الکتریکی بهبودیافته در خازن‌های
مقاله‌ی مرجع:
The open-access paper, published in Advanced Materials, is “Size-induced ferroelectricity in antiferroelectric oxide membranes” (DOI: ۱۰.۱۰۰۲/adma.۲۰۲۲۱۰۵۶۲).
منبع خبر:
ترجمه: مهندس فرزین فتوحی، دانشگاه صنعتی شریف