通过空出单个氧原子来改变铁电材料的性质

2022年1月4日整理发布：Technion 材料科学与工程系的研究人员通过从原始结构中空出一个氧原子，成功地改变了材料的电性能。可能的应用包括电子设备小型化和辐射检测。

胎儿超声成像、蜂窝移动通信、微型电机和低能耗计算机存储器有什么共同之处?所有这些技术都基于铁电材料，其特点是其原子结构与电气和机械性能之间存在很强的相关性。

Technion-Israel Institute of Technology 的研究人员通过从原始结构中腾出一个氧原子，成功地改变了铁电材料的特性。这一突破可以为新技术的发展铺平道路。该研究由材料科学与工程系的助理教授 Yachin Ivry 主持，博士后研究员 Hemaprabha Elangovan 博士和博士生陪同。学生 Maya Barzilay，发表在ACS Nano 上。值得注意的是，由于氧原子的重量轻，设计单个氧空位是一个相当大的挑战。

在铁电材料中，原子的轻微移动会引起电场和材料收缩或膨胀的显着变化。这种效应是由于材料中的基本重复单元包含以不对称结构组织的原子这一事实的结果。

为了进一步解释这一点，研究人员使用了开创性的铁电材料钛酸钡，其原子形成了类似立方体的晶格结构。在这些材料中，会出现一种独特的现象：钛原子远离氧原子。由于钛带正电而氧带负电，这种分离会产生极化，即电偶极矩。

立方晶格有六个面，因此带电原子移动到六种可能性之一。在材料的不同部分，大量相邻的原子向同一方向移动，每个这样的区域(称为铁电畴)的极化是均匀的。传统技术基于在这些域中产生的电场。然而，近年来，大量的努力已经针对最小化器件尺寸和使用域之间的边界或壁而不是域本身，从而将器件从三维结构转换为二维结构。结构。

对于二维畴壁世界中发生的事情，研究界仍然存在分歧：两个不同电极化的畴之间的边界如何稳定?畴壁的极化与畴本身的极化是否不同?畴壁的特性可以局部控制吗?解决这些问题的巨大兴趣源于这样一个事实，即天然形式的铁电材料是一种极好的电绝缘体。然而，畴壁可能是导电的，因此形成了可被意志控制的二维物体。这种现象包括显着降低数据存储和数据处理设备能耗的潜力。

在这个项目中，研究人员成功地在原子尺度上破译了畴壁中的原子结构和电场部署。在他们最近的文章中，他们证实了这样的假设，即由于两个域共有的区域中的部分氧空位，域壁允许域之间存在二维边界，从而使局部区域的部署具有更大的灵活性。电场。他们成功地在工程上诱导了单个氧原子空位，并证明这一行为会产生相反的偶极子和更大的电对称性——一种称为四极子的独特拓扑结构。

在中国西湖大学的 Shi Liu 的计算机模拟的帮助下，研究人员证明，改造氧原子空位不仅在原子尺度上，而且在相关尺度上对材料的电学性质有很大影响。到电子设备——例如，在导电性方面。重要的是，目前的科学成就可能有助于此类设备的小型化以及降低其能耗。

Technion 研究小组与内盖夫核研究中心的研究人员合作，还证明可以通过将材料暴露于电子辐射来设计氧空位。因此，除了电子学发现的技术潜力外，还可以利用辐射探测器的效应，及早发现和预防核事故，例如 2011 年发生在福岛的核事故。 ， 日本。

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