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通过保持铁电气泡完好无损研究人员为新设备铺平了道路

摘要当魔术师突然从放满盘子和眼镜的桌子上扯下桌布时,观众开始怀疑舞台上是否很快就会散落一地碎玻璃。直到现在,科学家们都面临着类似的困境

当魔术师突然从放满盘子和眼镜的桌子上扯下桌布时,观众开始怀疑舞台上是否很快就会散落一地碎玻璃。直到现在,科学家们都面临着类似的困境,他们使用特殊的电子气泡来创造下一代柔性微电子和能量存储设备。

能源部(DOE)阿贡国家实验室的科学家们发现了一种新方法,可以通过从特定底层材料或基板上剥离含有电气泡的异质结构薄膜,同时保留它们,来实现原子级版本的桌布技巧。完好无损。这一发现可能使我们更接近于依赖这些不寻常且脆弱的结构的大量应用程序。

“你可以把它想象成试图从地基上拆除一座房子。通常,你会认为房子会倒塌,但我们发现它保留了它的所有特性,”阿贡材料科学家赛杜尔·巴考尔说

“气泡非常脆弱,最初需要特殊的底层材料,称为基板,以及特定条件才能在其中生长薄膜,”阿贡材料科学家赛杜尔·巴考尔说。“有许多我们感兴趣的材料,这些气泡可能非常有用,比如塑料。但是,我们还没有能够直接在这些材料上生长它们。我们的研究是使气泡成为可能的第一步。”

电气泡位于三层超薄结构中,具有交替的电特性:铁电,然后是电介质,然后是铁电。这种多层结构中的气泡由特殊排列的偶极子或孪生电荷构成。这些偶极子的方向基于材料中的局部应变和表面上的电荷,这导致偶极子寻找其相对最低的能量状态。最终,电气泡(气泡域)形成,但只有在满足某些条件时才会形成。即使是很小的力,它们也很容易变形。

在实验中,Bakaul在新南威尔士大学的同事首先在钛酸锶基底上的超薄异质结构薄膜中生长气泡,这是最容易制造气泡的材料之一。然后,Bakaul面临着从衬底去除异质结构同时保留气泡的挑战。“你可以把它想象成试图从地基上拆除一座房子,”他说。“通常情况下,你会认为房子会倒塌,但我们发现它保留了所有财产。”

气泡域很小。它们的半径只有大约4纳米——与人类DNA链一样宽。因此,它们很难被看到。在Argonne的材料科学部门,具有傅立叶变换分析的先进扫描探针显微镜技术使科学家们不仅可以看到它们,还可以量化它们在独立薄膜中的特性。

为了确定气泡域保持完整,Bakaul通过两种显微镜技术测量了它们的电子(电容)和压电特性:扫描微波阻抗显微镜和压电响应力显微镜。如果气泡破裂,在施加电压下电容会发生变化,但Bakaul发现它在相当高的电压下保持相对稳定。

这些实验验证了Bakaul和他的学生通过将原子模拟与电路理论相结合而开发的理论分析中获得的电容数值估计。“实验和模拟的结合最终证明,即使从原始基质中移除,这些气泡也能够存活。这是我们长期以来一直希望实现的目标,”巴考尔说。

去除气泡后,原本像桌布一样平放的异质结构薄膜突然呈现出波纹状。虽然Bakaul指出许多人可能认为这种变化会损害气泡的特性,但他发现气泡实际上受到材料内置电压变化的保护。阿肯色大学巴考尔的同事进行的原子模拟表明,自由界面处的弹性能量是波纹形成的起源。

根据Bakaul的说法,结果令人兴奋,因为这些气泡具有不寻常且有趣的电气和机械特性。“铁电气泡是新发现的纳米级物体,”他说。“社区一致认为它们可能有很多应用。例如,这些气泡的转变会导致异常高的机电响应,这可以在微电子和能源应用中的各种设备中得到应用。”

尽管为这些气泡的整合创造了一条潜在的新途径是物理而不是魔法,但巴考尔表示,基于它们的新技术可能会产生变革性的影响。“无论我们讨论的是能量收集器还是超级计算机,这些气泡都可能对许多不同的材料和应用产生重大影响,”他说。

基于该研究的论文发表在9月19日的《先进材料》杂志上。

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