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Nov 06, 2023Finestra di commutazione meccanica bidirezionale nei film sottili ferroelettrici prevista per prima
npj Computational Materials volume 8, numero articolo: 137 (2022) Citare questo articolo
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Il controllo meccanico dell'evoluzione del dominio ferroelettrico ha suscitato molto interesse negli ultimi dieci anni. Tuttavia, la commutazione meccanica bidirezionale a 180°, cioè un ciclo completo di scrittura meccanica e quindi cancellazione di un nanodominio ferroelettrico, non è stata ancora realizzata nelle architetture tip-film. Qui, tramite simulazioni di dinamica molecolare basate su principi primi, dimostriamo che la commutazione meccanica bidirezionale a 180° è possibile nelle architetture di film di punta quando le condizioni di screening dei film ferroelettrici e la forza di caricamento della punta rientrano in una finestra appropriata. La commutazione utilizza una delicata competizione tra il campo flessoelettrico e un campo dipolare efficace trascurato. Il campo dipolare efficace domina con una forza di punta ridotta e innesca il passaggio da uno stato a dominio singolo verso il basso a uno stato a dominio multiplo verso l'alto, mentre il campo flessoelettrico domina con una forza di punta relativamente grande e consente una commutazione all'indietro. La commutazione meccanica bidirezionale si ottiene applicando impulsi di forza di punta con intensità alternativamente variabile. Le dinamiche di interazione dipolo-dipolo svolgono un ruolo importante nella commutazione meccanica.
I materiali ferroelettrici sono caratterizzati da una polarizzazione elettrica permanente alla temperatura di Curie che può essere commutata da un campo elettrico maggiore di un valore coercitivo. Le polarizzazioni commutabili e le strutture di dominio associate sono mantenute su scala nanometrica e sono direttamente alla base delle enormi applicazioni avanzate commercializzate ed emergenti dei ferroelettrici come memorie non volatili1,2, dispositivi neuromorfici3,4, dispositivi a microonde agili ad alta frequenza5, ecc. Comprensione dei meccanismi sottostanti del ferroelettrico la commutazione è una premessa per applicazioni di dispositivi basate su strutture di dominio e per un ulteriore controllo delle funzionalità dei ferroelettrici mediante l'ingegneria del dominio. Sono stati fatti grandi sforzi per perseguire controlli deterministici e facili delle strutture dei domini ferroelettrici, in particolare la manipolazione locale6,7. Attualmente, i campi elettrici di punta sono comunemente usati per manipolare localmente le strutture dei domini ferroelettrici8,9,10,11, ma con fenomeni inevitabili guidati dal campo come l'iniezione e la rottura della carica. Per alleviare gli effetti negativi della commutazione elettrica e perseguire scenari applicativi, varie strategie di commutazione, ad esempio ottica12,13, termica14,15,16, chimica17,18, meccanica19,20,21,22,23,24,25,26, Le strategie di commutazione 27,28 e ibrida29,30 sono state esplorate come modi alternativi per controllare i domini ferroelettrici.
La commutazione del dominio locale indotta meccanicamente entra nel campo visivo dei ricercatori a causa della rivisitazione di un effetto di accoppiamento elettromeccanico di alto ordine, vale a dire l'effetto flessoelettrico, che recentemente è stato segnalato essere significativamente migliorato nei ferroelettrici su scala nanometrica31,32,33. In tale effetto, i gradienti di deformazione rompono la simmetria del reticolo e generano un campo elettrico equivalente, il campo flessoelettrico, indicando un’alternativa promettente alla commutazione della polarizzazione ferroelettrica in giuste circostanze. Un lavoro fondamentale è stato svolto da Lu et al. che ha dimostrato sperimentalmente un'inversione deterministica verso il basso di 180° della polarizzazione ferroelettrica in un film sottile di BaTiO3 (BTO) premendo la punta di un microscopio a forza atomica (AFM)19. Questa commutazione meccanica fornisce la possibilità di controllo locale e senza tensione della polarizzazione nei materiali ferroelettrici e si ritiene che allevi gli effetti negativi della commutazione elettrica sui dispositivi ferroelettrici, come il verificarsi di iniezione di carica, corrente di dispersione e guasto elettrico. Da allora, l'interesse per la flessoelettricità è ripreso e ha stimolato discussioni sulla fattibilità della commutazione dei domini ferroelettrici in modo "non elettrico". Una varietà di concetti di dispositivi nanoelettromeccanici basati sul controllo meccanico della polarizzazione ferroelettrica sono stati proposti nel ferroelettrico19,25,29,34,35,36,37,38,39.