Дослідники з Корейського інституту науки і технологій у співпраці з багатьма установами експериментально підтвердили 3D-вихровий розподіл поляризації всередині фотоелектричних наночастинок. Використовуючи атомно-електронну томографію, вони нанесли на карту положення атомів у наночастинках титанату барію та розрахували розподіл внутрішньої поляризації. Це відкриття підтверджує теоретичні прогнози, зроблені 20 років тому, і містить потенціал для розробки надщільних пристроїв пам’яті.
a каістДослідницька група, яку він очолює, успішно продемонструвала тривимірний розподіл внутрішньої поляризації в сегнетоелектричних наночастинках, проклавши шлях до передових пристроїв пам’яті, здатних зберігати в 10 000 разів більше даних, ніж сучасні технології.
Матеріали, які залишаються незалежно намагніченими, без необхідності зовнішнього магнітного поля, відомі як феромагнетики. Подібним чином сегнетоелектрика може підтримувати стан поляризації сама по собі, без зовнішнього електричного поля, діючи як електричний еквівалент феромагнетиків.
Відомо, що феромагнетики втрачають свої магнітні властивості при зменшенні до нанорозмірів нижче певного порогу. Що відбувається, коли сегнетоелектричні матеріали виготовляються однаково в дуже малому об’ємі в усіх напрямках (тобто в безрозмірній структурі, як наночастинки), було предметом суперечок протягом тривалого часу.
Дослідницька група під керівництвом доктора Янгсу Янга з фізичного факультету KAUST вперше з’ясувала тривимірний розподіл поляризації у формі вихру всередині сегнетоелектричних наночастинок завдяки міжнародним спільним дослідженням з POSTECH, SNU, KBSI та LBNL. І Університет Арканзасу.
Близько 20 років тому професор Лоран Беліх (зараз працює в Університеті Арканзасу) та його колеги теоретично передбачили, що всередині сегнетоелектричних наноточок може виникнути унікальна форма розподілу поляризації, організована у формі тороїдального вихору. Вони також припустили, що якщо цим розподілом вихру можна було б правильно керувати, його можна було б застосувати до пристроїв пам’яті високої щільності з ємністю в 10 000 разів більшою, ніж існуючі пристрої. Однак експериментального прояснення не було досягнуто через складність вимірювання тривимірного розподілу поляризації в сегнетоелектричних наноструктурах.
Передові методи електронної томографії
Дослідницька група KAIST вирішила цю проблему 20-річної давнини, запровадивши метод під назвою атомно-електронна томографія. Ця технологія працює шляхом отримання зображень наноматеріалів з трансмісійним електронним мікроскопом з атомною роздільною здатністю під різними кутами нахилу, а потім реконструювання їх назад у 3D-структури за допомогою вдосконалених алгоритмів реконструкції. Електронну томографію можна розуміти як той самий метод, який використовується в комп’ютерній томографії, що використовується в лікарнях для перегляду внутрішніх органів у трьох вимірах; Команда KAIST унікально адаптувала його до наноматеріалів, використовуючи електронну мікроскопію на одному зразку.кукурудза рівень.
Тривимірний розподіл поляризації наночастинок BaTiO3, виявлений за допомогою атомної електронної томографії. (Зліва) Схема електронної томографії, яка передбачає отримання зображень трансмісійного електронного мікроскопа під різними кутами нахилу та реконструкцію їх у тривимірні атомні структури. (Середній) Тривимірний розподіл поляризації було експериментально визначено всередині наночастинки BaTiO3 за допомогою атомно-електронної томографії. Біля дна (блакитна крапка) чітко видно вихроподібну структуру. (Справоруч) двовимірний поперечний переріз розподілу поляризації, тонко нарізаний у центрі вихору, і разом колір і стрілки вказують напрямок поляризації. Можна спостерігати чітку вихрову структуру.
Використовуючи атомно-електронну томографію, команда виміряла положення всіх атомів катіонів усередині наночастинок титанату барію (BaTiO3), сегнетоелектричного матеріалу, у трьох вимірах. Завдяки точно визначеному тривимірному розподілу атомів вони змогли додатково розрахувати тривимірний розподіл внутрішньої поляризації на рівні одного атома. Аналіз розподілу поляризації вперше експериментально показав, що топологічні поляризаційні розташування, включаючи вихори, антивихри, скірміони та точку Блоха, відбуваються всередині нульвимірних сегнетоелектриків, як теоретично було передбачено 20 років тому. Більше того, було також виявлено, що кількість внутрішніх вихорів можна контролювати їхніми розмірами.
Професор Сергій Брусандєв і професор Белич (який разом з іншими колегами теоретично запропонував розташування полярного вихору 20 років тому) приєдналися до цієї співпраці, а також продемонстрували, що результати розподілу вихору, отримані в результаті експериментів, узгоджуються з теоретичними розрахунками.
Очікується, що, контролюючи кількість і напрямок цих поляризаційних розподілів, це можна буде використовувати в пристроях пам’яті високої щільності наступного покоління, які можуть зберігати більш ніж у 10 000 разів більше інформації в самому пристрої порівняно з існуючими пристроями.
Доктор Янг, який керував дослідженням, пояснив важливість результатів, сказавши: «Цей результат вказує на те, що лише керування розміром і формою сегнетоелектричних матеріалів, без необхідності налаштування підкладки або навколишніх впливів навколишнього середовища, таких як епітаксійне напруження, може маніпулювати сегнетоелектричні вихори або інші топологічні схеми у великому масштабі». Потім нанотехнології можуть застосувати подальші дослідження для розробки наступного покоління надщільної пам’яті.
Довідка: «Розкриття тривимірного порядку полярної топології в наночастинках» Чіхва Чжонг, Джу Хюк Лі, Хесон Джо, Джайохан О, Хюнсук Бек, Кюн Джун Джо, Джунву Сон, Се Йон Чой, Сергій Брусандєв, Лоран Беліч і Янгсу Ян, 8 травня 2024 р. Комунікації природи.
doi: 10.1038/s41467-024-48082-x
Це дослідження було здебільшого підтримано грантами Національного дослідницького фонду Кореї (NRF), що фінансуються урядом Кореї (MSIT).
“Професійний вирішувач проблем. Тонко чарівний любитель бекону. Геймер. Завзятий алкогольний ботанік. Музичний трейлер”
