Четырех-позиционный переключатель обещает большой перестройки слоистых материалов

Команда ученых из Департамента энергетики национальной лаборатории Оук-Ридж и Университета Вандербильта сделали первые экспериментальные наблюдения за материал фазу, что было предсказано, но никогда не видел. Недавно обнаруженные фазы пар с известной фазой, позволяющие полностью контролировать свойства материалов — аванс, который прокладывает путь к возможной манипуляции электрическая проводимость в двумерных (2D) материалов, таких как графен.

Команда сделала открытие, используя многослойный, медь-содержащий кристалл, который является сегнетоэлектрик, или имеет постоянный электрический диполь, который может быть восстановлен при прохождении электрического тока.

«Эти материалы могут стать строительные блоки сверхтонких энергий и технологий», — сказал ORNL, США Нина балке, соответствуя автор бумаги отчетности, нахождение в природе материалов.

Наблюдение показывает свойства, которые могут быть использованы для предоставления материалов с новыми функциями. Эти свойства зависят от расположения атомов меди в кристалле. Атомы меди могут находиться в слоях кристаллической или становятся перемещенными лицами в промежутки между слоями-под названием «Ван-дер-Ваальсовых щелей» — где они делают слабые ионные связи с соседними слоями и образуют новую фазу.

Ученые измеряли электромеханический ответы на протяжении слоистых сегнетоэлектрических кристаллов меди и Индия thiophosphate, или СКЗИ. Этот материал является пьезоэлектрический, смысл его поверхности становятся заряженными, когда он вытянут или сжат. И наоборот, применяя электрическое поле делает пьезоэлектрического материала расширяться или сжиматься. В пьезоэлектрических свойств КСЗИ были ключом к изучению экспериментально, а также теоретически выявить новые явления.

Теоретические исследования проводились группой сократовским Pantelides, профессора Университета Вандербилта и почетный приглашенный ученый в ORNL. Используя квантовые вычисления, члены группы перешли атома, ответственных за Полярным смещение — медь — через кристаллическую структуру и расчетную потенциальную энергию. «Типичный результат для сегнетоэлектриков заключается в том, что у вас есть два энергетических минимумов, или лунки, для этого атома; каждый из них представляет собой вектор поляризации, одна из которых направлена вверх, другая-вниз», — сказал Pantelides. «Для этого материала, теории предсказал четыре минимумов энергии, что крайне необычно.»

Исследовательская группа обнаружила, что два дополнительных энергетических минимумов возникают со второго структурные фазы с двойной амплитуды поляризации и устойчивое положение для атома меди в разрыв ван-дер-Ваальса. Кроме того, теоретически предсказал пьезоэлектрических констант для двух полярных фаз в CIPS совпали с экспериментально измеренными.

«Это первое сообщение о наблюдении пьезоэлектрическими и сегнетоэлектрическими свойствами высокой поляризации фазы», — сказал балке, ведущий экспериментатор в команде. «Было известно, что медь может пойти в пропасть, но последствия для пьезоэлектрическими и сегнетоэлектрическими свойствами не были известны. Но, в конце концов, это то, что формирует и четырехместный.»

Сабина Ноймайер, член команды ORNL, США, добавил, что «четырехместный также открывает массу интересных возможностей, тем более, что мы можем контролировать переходы между этими четырех различных состояниях поляризации с помощью температуры, давления и электрических полей». Как правило, сегнетоэлектрики мыслятся как переключение между двумя государствами. В CIPS, четыре государства являются доступными.

«CIPS уже один из первых сегнетоэлектрических материалов, что является совместимым с почти всех 2D материалов из-за своей структуры ван-дер-Ваальса. В любое время у вас есть ван-дер-Ваальса, это означает, что вы можете собрать 2D материалы и отделить их, не вызывая серьезных структурных повреждений,» Петр Максимович, еще один автор, сказал. «Ван-дер-Ваальса структура, что позволяет раскалывание массивных кристаллов для создания 2D наноструктурах с чистой поверхностью.»

Ученые по всему миру были гонки, чтобы создать эффективный интерфейс для 2D материалы вроде графена, в один атом толщиной материал с очень высокой подвижностью электронов. «Мы предполагаем, что в будущем, активное взаимодействие с СКЗИ может контролировать графена через пьезоэлектрические, сегнетоэлектрические и другие отзывчивые свойства», — сказал Максимович. «Это поставит СМАРТС в графене».

Майкл Макгуайр в материалах науки и техники ORNL, США росла и характеризуется кристаллов исследования с Майклом Суснер, теперь в научно-исследовательской лаборатории ВВС. «Конкуренция и сосуществование нескольких фаз в кристаллах делает эти материалы особенно увлекательно и интересно», — сказал он. «Возможности для исследования сложных материалов, таких как таких как теоретически, так и экспериментально в широком диапазоне масштабов с дополнительными методами делает этот вид работы возможен в ORNL.»

Исследователи вел эксперименты в центре Национальной лаборатории Ок-Риджа за материалами nanophase наук, где непревзойденный инструментарий и опыт позволили точные измерения и четкого анализа и интерпретации сложных данных. Эксперименты основывались на методике силовой микроскопии пьезоотклика (ПФМ) для изображения и управления сегнетоэлектрических доменов в масштабах миллионных до миллиардных долей метра. Резкий кондуктивный измерительный зонд действует электрическое поле на образец поверхности, и наводится электро-механически деформации материала является производной от перемещения зонда.

«CNMS является ведущим учреждением в методике силовой микроскопии пьезоотклика», — сказал Максимович. «Люди приезжают сюда со всего мира, чтобы измерить свойства их образцов». Большая ничья тесной консультации с членами группы УГФ почти полвека накопительный опыт от новаторов в области УГФ, такие как Сергей Калинин и Стивен Джесси, и лучших имен в теории, например, Panchapakesan Ганеш и сократовским Pantelides-все авторы на этой бумаге. «Без этого многолетний опыт и знания, сами по себе измерения, возможно, не привело в связную картину мы получили», — сказал балке.

Максимович добавил, «интерпретация данных для двойных скважин является сложной задачей. Четырехместный скважин еще более сложным, поскольку теперь у вас есть несколько свойств переключения. Последовательность расширения и сжатия могут выглядеть странно и непонятно. Только из-за и усилия Нины Сабина была странностей нормализуется, поэтому мы могли точно понять, что происходит».

В будущих исследованиях будут изучены динамические свойства — пропорции высокого и низкого поляризации в напряг материалов; перемещение, стабилизации и внедрения атомы новой фазы сделать выключатель; экспериментально зондирующего предсказать поведение материалов под давлением; и изучают, как сегнетоэлектрические Домены переориентируются после приложения электрического поля.

сделать разницу: спонсорские возможности