Titanato de estrôncio de bário sensível a cepas (Ba _x -Sr _1-x -TiO ₃ ) os sistemas perovskita são amplamente usados ​​por seus comportamentos dielétricos não lineares superiores. Em um novo relatório sobre Avanços da Ciência, D.L. Ko e uma equipe de pesquisa em ciência e engenharia de materiais, física, eletrônica e engenharia da informação em Taiwan, Hong Kong e os EUA desenvolveram novas heteroestruturas, incluindo Ba paraelétrico _0,5 Sr _0,5 TiO ₃ (BSTO) e BaTiO ferroelétrico ₃ (BTO) epitaxialmente em um substrato de muscovita flexível. A aplicação de força mecânica por flexão simples regulou a constante dielétrica (potencial de energia elétrica) para BSTO variando de -77 a 36%, bem como a corrente do canal de transistores de efeito de campo ferroelétrico baseados em BTO, por duas ordens. Ko et al. estudou o mecanismo detalhado explorando transição de fase e determinação da estrutura de banda para implementar simulações de campo de fase e fornecer suporte teórico. O campo abre um novo caminho para componentes controláveis ​​mecanicamente com base em óxido heteroepitaxy de alta qualidade.

A configuração periódica de átomos em um sólido é uma consequência da minimização de energia, onde os átomos envolvidos e sua disposição correspondente podem determinar as propriedades dos materiais. Como resultado, os cientistas de materiais podem ajustar dinamicamente a periodicidade dos arranjos de átomos ou aplicações de deformações em uma abordagem fundamental para ajustar as funcionalidades dos materiais. Os pesquisadores já haviam proposto várias abordagens para impor tensão aos materiais - incluindo a aplicação de pressão hidrostática para observar a mudança dos picos de difração por meio da análise de raios-X como evidência direta da alteração da rede por meio de força externa. Por exemplo, estímulos externos, como campos magnéticos, campos elétricos e iluminação de luz podem sofrer uma mudança de rede devido à magnetostrição, eletroestrição e fotostrição. O conceito de aplicação de força mecânica aos materiais pode ser realizado por meio de dobra manual, pois é o método mais simples de causar deformação do material. A fim de impor tensão sem a absorção por formação de defeito, os cientistas de materiais exigem materiais de alta qualidade, como cristais únicos ou filmes epitaxiais, embora a maioria dos cristais não possam ser dobrados mecanicamente.

As muscovitas de óxido em camadas bidimensionais (2-D) são candidatas elegíveis devido à sua flexibilidade mecânica superior e alto ponto de fusão (~ 1260 ⁰ C a 1290 ⁰ C). Se uma deformação pode ser aplicada a uma rede dielétrica não linear, então, ele pode alterar sua capacidade de armazenamento de carga e a magnitude da polarização ferroelétrica. Os materiais dielétricos não lineares oferecem forte acoplamento entre a estrutura e as propriedades da rede e entre os dielétricos não lineares tradicionais - perovskita não tóxica Ba _x Sr _1-x TiO ₃ sistemas têm mostrado alta sensibilidade à aplicação de deformação. Como resultado, Ko et al. Ba paraelétrico selecionado _0,5 Sr _0,5 TiO ₃ (BSTO) e BaTiO ferroelétrico ₃ como sistemas modelo no presente estudo para exibir controle por flexão mecânica.

A equipe de pesquisa ajustou a transição de fase ferroelétrica para paraelétrica do Ba _x Sr _1-x TiO ₃ sistema para controlar as propriedades dielétricas e ferroelétricas correspondentes por meio de flexão mecânica. Eles usaram capacitância-tensão (CV), Medidas de polarização de tensão (PV) e corrente-tensão (IV) para caracterizar a constante dielétrica do BSTO e as propriedades ferroelétricas do BTO. Eles também construíram um transistor de efeito de campo ferroelétrico (FeFET) com base em BTO com camada semicondutora de óxido de zinco dopado com alumínio de alta mobilidade (AZO) e mediram sua corrente de canal para estudar o efeito de flexão no capacitor BSTO e no BTO FeFET. A equipe observou a mudança da rede sob flexão usando espectroscopia Raman e usou espectroscopia de fotoelétrons de raios-X para destacar a influência da polarização BTO na estrutura eletrônica na camada semicondutora de AZO sob diversas condições de flexão.

Ko et al. projetou o capacitor BSTO e os sistemas BTO FeFET em substratos de muscovita com cristalinidade superior, que a equipe examinou usando difração de raios-X. Eles notaram alta qualidade cristalina da heteroestrutura sem fases secundárias e calcularam a qualidade do cristal de cada camada usando a medição da curva de balanço. Para examinar a microestrutura do material, eles caracterizaram a heteroestrutura com microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução e investigaram a deformação por flexão mecânica usando substratos de muscovita devido à sua flexibilidade mecânica. onde os muscovites mais finos mostraram melhor curvatura durante os experimentos.

A equipe impôs deformação por meio de dobra mecânica para observar as mudanças na ferroeletricidade do BTO e na constante dielétrica do BSTO. Eles conduziram medições de capacitância-tensão (CV) e polarização-tensão (PV) para entender se a intensidade de polarização do BTO enfraquecia gradualmente sob flexão mecânica. A sintonia elétrica do capacitor BSTO atingiu cerca de 60 a 70%, indicando alta qualidade das heteroestruturas, e a constante dielétrica poderia ser regulada apenas pelo campo elétrico, enquanto aumenta ou diminui sob curvaturas de dobra positivas (deformação de tração) e negativas (deformação de compressão). Ko et al. ajustou a quantidade de carga armazenada neste material dielétrico esticando a arquitetura da rede e observou que os comportamentos relativos às propriedades dielétricas não lineares poderiam ser controlados e repetidos sob flexão mecânica, com grande potencial na prática.

A equipe então investigou a capacidade da flexão mecânica de alterar as propriedades ferroelétricas por meio de múltiplas medições, incluindo espectroscopia Raman dependente da temperatura para estudar a transição de fase de materiais ferroelétricos. Os resultados forneceram evidências diretas para controlar o estado ferroelétrico por meio de flexão mecânica e a otimização do projeto do dispositivo permitiu que eles convertessem um capacitor ferroelétrico simples e ajustável em um transistor controlado mecanicamente. Tanto a flexão compressiva quanto a por tração diminuíram a corrente no estado ligado - mas o efeito de deformação era óbvio sob a flexão por tração. Os cientistas confirmaram que o substrato AZO / BTO / SRO (rutenato de estrôncio) / muscovita é um transistor mecanicamente controlável. A equipe confirmou esses efeitos usando microscopia de força de resposta piezoresposta (PFM) e microscopia de força de sonda Kelvin (KPFM).

Desta maneira, D.L. Ko e colegas desenvolveram um capacitor heteroepitaxial de óxido flexível e FeFET, usando BSTO paraelétrico, BTO ferroelétrico e camadas semicondutoras de AZO em um substrato de muscovita 2-D. O capacitor BSTO apresentou alta sintonia de sua constante dielétrica sob flexão mecânica. No componente FeFET, eles alcançaram uma mudança de duas ordens de magnitude na razão da corrente liga / desliga em relação à ferroeletricidade BTO. Os resultados do estudo forneceram uma visão crítica do mecanismo, em que propriedades elétricas flexíveis e ajustáveis ​​eram possíveis por meio de flexão mecânica simples. Esta descoberta proporcionará um caminho promissor para futuras aplicações de tecnologia mecanicamente ajustável.

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