Vortici polari descoperiți în superlatici fără plumb pe siliciu
Cercetătorii au raportat pentru prima dată vortici polari în superlatici de (BaTiO₃/SrTiO₃)₁₀ depuse pe siliciu. Rezultatele extind gama de materiale și substrate pe care pot apărea texturi topologice polare și deschid noi opțiuni pentru integrarea stărilor feroelectrice complexe în tehnologiile bazate pe siliciu.
Până în prezent, texturile polare precum vârtejurile au fost observate aproape exclusiv în superlatici care conțin plumb, formate din straturi ultrasubțiri de titanați feroelectrici și dielectrici pe substrate oxidice. Echilibrul delicat dintre forțele electrice, tensiunile mecanice impuse de substrat și energia necesară pentru schimbarea direcției polarizării duce la modele distinctive de dipoli electrici în straturile feroelectrice.
În principiu, structurile cu stări polare complexe ar putea fi folosite pentru dezvoltarea de componente noi cu funcții specifice, deoarece sunt mici, stabile și pot fi influențate de câmpuri electrice externe. Pentru a realiza acest lucru, ar fi însă important să se înlocuiască plumbul toxic și să se depună straturile pe substrate de siliciu, platforma omniprezentă a industriei semiconductoarelor.
Suprastructură pe siliciu
O echipă condusă de fiziciana Catherine Dubourdieu a reușit acest lucru. În noul său studiu, publicat în Nature Communications, echipa prezintă straturi alternative de titanați de bariu și de stronțiu, crescute epitaxial pe siliciu, care prezintă benzi regulate de vortici polari. Sistemul de straturi a fost creat prin epitaxie cu fascicul molecular în laboratorul de materiale cuantice al institutului.
Folosind microscopul electronic de transmisie prin scanare al grupului profesorului Christoph Koch de la Universitatea Humboldt și analize suplimentare la sursa de radiații X PETRA III din Hamburg, cercetătorii au putut demonstra suprastructura constând din tuburi feroelectrice de vortici regulate.
Un model de benzi robust
Vârtejurile din fiecare strat de BaTiO₃ se aliniază de-a lungul unei direcții cristaline specifice a BaTiO₃ și formează un model de benzi robust. Substratul de siliciu furnizează tensiunea mecanică necesară, care permite formarea vârtejurilor polari. Când probele sunt încălzite, are loc o tranziție de fază structurală și textura polară dispare. La răcirea la temperatura camerei, textura polară se reformează.
Rolul tensiunii mecanice
Modelarea cu câmp de fază realizată de grupul profesorului Long-Qing Chen de la Universitatea de Stat din Pennsylvania reproduce cuplajul dintre straturile de BaTiO₃ și SrTiO₃ prin forțe electrostatice și tensiune mecanică. Această modelare explică și modul în care tuburile de vortici din straturile de BaTiO₃ se aliniază, oferind informații despre dezvoltarea modelului texturii polare în funcție de tensiunea mecanică.
„Aceasta este prima realizare a unor vortici ordonați periodic în superlatici de BaTiO₃ pe siliciu. De fapt, siliciul este cheia, deoarece furnizează tensiunea mecanică necesară pentru a induce acest model de vortici”, a declarat Valentin Hevelke, doctorand și primul autor al studiului.
„Rezultatele noastre extind gama de materiale și substrate pe care pot apărea texturi topologice polare și deschid noi opțiuni pentru integrarea stărilor feroelectrice complexe în tehnologiile bazate pe siliciu”, a afirmat Dubourdieu.
