a kaistVýskumný tím, ktorý vedie, úspešne demonštroval trojrozmerné rozloženie vnútornej polarizácie vo feroelektrických nanočasticiach, čím pripravil cestu pre pokročilé pamäťové zariadenia schopné uložiť 10 000-krát viac údajov ako súčasné technológie.

Materiály, ktoré zostávajú nezávisle magnetizované, bez potreby vonkajšieho magnetického poľa, sú známe ako feromagnety. Podobne aj feroelektrina môže sama o sebe udržiavať stav polarizácie bez akéhokoľvek vonkajšieho elektrického poľa, ktoré pôsobí ako elektrický ekvivalent feromagnetov.

Je známe, že feromagnety strácajú svoje magnetické vlastnosti, keď sú zmenšené na veľkosti nanometrov pod určitým prahom. Čo sa stane, keď sa feroelektrické materiály vyrobia identicky vo veľmi malom objeme vo všetkých smeroch (t. j. v bezrozmernej štruktúre ako nanočastice), je už dlho predmetom sporov.

Výskumný tím vedený Dr. Youngsu Yangom z Katedry fyziky na KAUST po prvýkrát objasnil 3D vírovú distribúciu polarizácie vo feroelektrických nanočasticiach prostredníctvom medzinárodného spoločného výskumu s POSTECH, SNU, KBSI a LBNL. A University of Arkansas.

Asi pred 20 rokmi profesor Laurent Belich (teraz na University of Arkansas) a jeho kolegovia teoreticky predpovedali, že vo feroelektrických nanobodkách by sa mohla vyskytnúť jedinečná forma distribúcie polarizácie usporiadaná vo forme toroidného víru. Navrhli tiež, že ak by sa toto rozloženie víru dalo správne kontrolovať, mohlo by sa použiť na pamäťové zariadenia s vysokou hustotou s kapacitou 10 000-krát väčšou ako existujúce zariadenia. Experimentálne objasnenie sa však nedosiahlo kvôli ťažkostiam s meraním 3D polarizácie distribúcie vo feroelektrických nanoštruktúrach.

Pokročilé techniky v elektrónovej tomografii

Výskumný tím v KAIST vyriešil túto 20-ročnú výzvu implementáciou techniky nazývanej atómová elektrónová tomografia. Táto technológia funguje tak, že získava snímky nanomateriálov z transmisného elektrónového mikroskopu s atómovým rozlíšením z viacerých uhlov sklonu a následne ich rekonštruuje späť do 3D štruktúr pomocou pokročilých rekonštrukčných algoritmov. Elektrónovú tomografiu možno chápať ako rovnakú metódu, ktorá sa používa pri CT vyšetreniach používaných v nemocniciach na trojrozmerné zobrazenie vnútorných orgánov; Tím KAIST ho jedinečne prispôsobil nanomateriálom pomocou elektrónovej mikroskopie na jednej vzorke.kukurica úrovni.

Trojrozmerná distribúcia polarizácie nanočastíc BaTiO3 odhalená atómovou elektrónovou tomografiou. (vľavo) Schéma techniky elektrónovej tomografie, ktorá zahŕňa získavanie obrazov transmisného elektrónového mikroskopu pri viacerých uhloch sklonu a ich rekonštrukciu do 3D atómových štruktúr. (Stredná) Distribúcia 3D polarizácie bola experimentálne určená vo vnútri nanočastice BaTiO3 pomocou atómovej elektrónovej tomografie. V blízkosti dna je jasne viditeľná štruktúra podobná víru (modrá bodka). (Vpravo) 2D prierez distribúcie polarizácie, narezaný na tenké plátky v strede víru a spolu farba a šípky označujú smer polarizácie. Je možné pozorovať zreteľnú vírovú štruktúru.

Pomocou atómovej elektrónovej tomografie tím zmeral polohy celých atómov katiónov vo vnútri nanočastíc titaničitanu bárnatého (BaTiO3), feroelektrického materiálu, v troch rozmeroch. Pomocou presne definovaných 3D atómových usporiadaní dokázali ďalej vypočítať 3D rozloženie vnútornej polarizácie na úrovni jedného atómu. Analýza distribúcie polarizácie po prvý raz experimentálne odhalila, že topologické usporiadania polarizácie, vrátane vírov, antivírov, skyrmiónov a Blochovho bodu, sa vyskytujú vo feroelektrikách s nulovou dimenziou, ako sa teoreticky pred 20 rokmi predpovedalo. Okrem toho sa tiež zistilo, že počet vnútorných vírov môže byť riadený ich veľkosťou.

Profesor Sergej Brusandev a profesor Belich (ktorí spolu s ďalšími kolegami navrhli usporiadanie polárneho víru teoreticky pred 20 rokmi) sa pripojili k tejto spolupráci a tiež preukázali, že výsledky distribúcie vírov získané z experimentov súhlasia s teoretickými výpočtami.
Očakáva sa, že ovládaním počtu a smeru týchto polarizačných distribúcií by sa to dalo využiť v pamäťových zariadeniach novej generácie s vysokou hustotou, ktoré dokážu uložiť viac ako 10 000-násobok množstva informácií v samotnom zariadení v porovnaní s existujúcimi zariadeniami.

Dr Yang, ktorý viedol výskum, vysvetlil význam zistení a povedal: „Tento výsledok naznačuje, že samotná kontrola veľkosti a tvaru feroelektrických materiálov bez potreby ladenia substrátu alebo okolitých environmentálnych vplyvov, ako je epitaxiálny stres, môže manipulovať. feroelektrické víry alebo iné topologické usporiadania vo veľkom meradle.“ Nanotechnológia potom môže aplikovať ďalší výskum na vývoj ďalšej generácie ultrahustej pamäte.

Odkaz: „Odhalenie trojrozmerného rádu polárnej topológie v nanočasticiach“ od Chihwa Jeong, Joo Hyuk Lee, Hyesung Jo, Jayohan Oh, Hyunsuk Baek, Kyung Joon Jo, Junwoo Son, Se Young Choi, Sergey Brusandev, Laurent Belich a Youngsoo Yang, 8. mája 2024, Prírodné komunikácie.
doi: 10.1038/s41467-024-48082-x

Túto štúdiu podporili najmä granty Národnej výskumnej nadácie Kórey (NRF) financované kórejskou vládou (MSIT).