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Finestra di commutazione meccanica bidirezionale nei film sottili ferroelettrici prevista per prima

Dec 13, 2023Dec 13, 2023

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.

 0.99, while PD state has lower total energy than the SD state when β < 0.99. This is to say, the SD state is energetically more favorable when the surface screening condition is near the ideal SC condition, while the PD state is more stable under poor charge screening conditions as illustrated in Fig. 2b./p> \(\left| {E_{{{\mathrm{c}}}}^ + } \right|\) when β > 0.967, and \(\left| {E_{{{\mathrm{c}}}}^ - } \right|\) < \(\left| {E_{{{\mathrm{c}}}}^ + } \right|\) when β < 0.967. To describe the asymmetry of the coercive fields, we introduce an asymmetric parameter \(\delta = \left[ {\left( {\left| {E_{{{\mathrm{c}}}}^ + } \right| - \left| {E_{{{\mathrm{c}}}}^ - } \right|} \right)/\left( {\left| {E_{{{\mathrm{c}}}}^ + } \right| + \left| {E_{{{\mathrm{c}}}}^ - } \right|} \right)} \right] \times 100\%\)49. δ > 0 represents that the hysteresis loop is shifted to the +Ez direction and indicates an easier writing process (SD→PD); whereas δ < 0 represents that the hysteresis loop is shifted to the –Ez direction and indicates an easier easing process (PD→SD). δ = 0 gives the symmetric hysteresis loops with equal \(\left| {E_{{{\mathrm{c}}}}^ + } \right|\) and \(\left| {E_{{{\mathrm{c}}}}^ - } \right|\). The β dependence of δ is shown in Fig. 3e. We can see that the hysteresis loops are shifted to –Ez direction when β > 0.967 whereas they are shifted to +Ez direction when β < 0.967. It is important to note that δ increases from –18% to about 60% as β decrease from 1.0 to 0.87, the β dependence of which is unexpectedly large. Perfectly symmetric hysteresis loop can only be found at the rigorous screening condition of β = 0.967. Besides the asymmetry in coercive fields, the remnant polarization of the initial SD state (denoted as \(\left| {P_{{{\mathrm{r}}}}^ + } \right|\)) and that of the PD state (denoted as \(\left| {P_{{{\mathrm{r}}}}^ - } \right|\)) are also obviously asymmetric. From Fig. 3d, as β decreases from 1.0 to 0.87, \(\left| {P_{{{\mathrm{r}}}}^ + } \right|\) decreases significantly from 0.57 to 0.38 C m−2, whereas \(\left| {P_{{{\mathrm{r}}}}^ - } \right|\) decreases slightly from 0.53 to 0.50 C m−2, which remains almost unchanged compared with \(\left| {P_{{{\mathrm{r}}}}^ + } \right|\). Similarly, we define a parameter θ to describe the asymmetry of the remnant polarization as \(\theta = \left[ {\left( {\left| {P_{{{\mathrm{r}}}}^ + } \right| - \left| {P_{{{\mathrm{r}}}}^ - } \right|} \right)/\left( {\left| {P_{{{\mathrm{r}}}}^ + } \right| + \left| {P_{{{\mathrm{r}}}}^ - } \right|} \right)} \right] \times 100\%\). As shown in Fig. 3f, we have \(\left| {P_{{{\mathrm{r}}}}^ + } \right|\) > \(\left| {P_{{{\mathrm{r}}}}^ - } \right|\) when β > 0.967, and \(\left| {P_{{{\mathrm{r}}}}^ + } \right|\) < \(\left| {P_{{{\mathrm{r}}}}^ - } \right|\) when β < 0.967; θ decreases from 4% to –14% as β decrease from 1.0 to 0.87./p> 0.87 according to Fig. 2c and e), the effective dipolar field works as a depolarization field as discussed above. However, the SD state usually remains metastable, and no switching occurs spontaneously due to the energy barrier between the SD and PD states, which is small but cannot be thermally overcome (Fig. 2b). Applying a mechanical load to the loading area of the film causes deformation nearby the loading area. If we neglect the mechanical loading induced strain gradients and flexoelectric field, it is interesting to find that the mechanical loading induced strains can help decrease the switching barrier of the dipoles in the loading area, enabling SD→PD switching. Investigation on the local mechanical domain switching in BTO thin films mediated by the effective dipolar field at different surface screening conditions is carried out by MD simulations (Supplementary Fig. 4). We would like to emphasize that the mechanical switching of ferroelectric domains mediated by the effective dipolar field is SD→PD switching, which can be either upwards to downwards (up-to-down) or downwards to upwards (down-to-up). Moreover, such dipolar-field-assisted switching in ferroelectric thin films is also expected to take place by laser heating of the loading area. Actually, it has been verified in magnetic systems that when a laser spot destructs the domain nearby, the remaining domain generates an effective magnetic field to switch the destructed domain50./p>4.0 eV) to reduce the effect of band bending, and the quality of the samples should be high with a low density of defects, and the experimental environment should exclude the influence of air charge adsorption. It is also noteworthy that, due to the limitations of the computational scales, we have adopted a simplified point force model to trigger mechanical switching. While this can be approached in experiment by fabricating a sharp AFM tip, in practice, AFM tips are much blunter with radius larger than 10 nm. The exact window of bidirectional mechanical switching is expected to be modified by the model-dependent strain fields (Supplementary Fig. 9), though they will not alter our main conclusion./p>

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