צוות מחקר בינלאומי גילה כי התכונות הפיזואלקטריות של Hf0.5Zr0.5O2 קבלים ניתנים לשינוי דינמי על ידי מחזור חשמלי חיצוני, מה שמוביל להיפוך הסימן של האפקט הפיאזואלקטרי. גילוי זה, הנתמך על ידי תיאוריית פונקציונליות הצפיפות, מציע את האפשרות ליצור תרכובות פרו-אלקטריות שאינן פיזואלקטריות, מה שפותח אפיקים חדשים לפיתוח של מכשירים מתקדמים מבוססי HfO2 פרו-אלקטריים. קרדיט: twoday.co.il.com
סרטים דקים תחמוצת הפניום הם סוג מרתק של חומרים בעלי תכונות פרו-אלקטריות חזקות בטווח הננומטר. בעוד שההתנהגות הפרו-אלקטרית נחקרת בהרחבה, תוצאות על השפעות פיזואלקטריות נותרו עד כה מסתוריות. מחקר חדש מראה כעת שהפיזואלקטריות ב-Ferroelectric Hf0.5Zr0.5O2 סרטים דקים ניתנים לשינוי דינמי על ידי רכיבת שדה חשמלי. תוצאה פורצת דרך נוספת היא התרחשות אפשרית של תרכובת פרו-אלקטרית שאינה פיזואלקטרית מהותית. תכונות לא שגרתיות אלה בחפניה מציעות אפשרויות חדשות לשימוש במיקרו-אלקטרוניקה וטכנולוגיית מידע.
מאז 2011, ידוע שתחמוצות הפניום מסוימות הן פרו-אלקטריות, כלומר, יש להן קיטוב חשמלי ספונטני שניתן לשנות את הכיוון שלו לכיוון ההפוך על ידי הפעלת שדה חשמלי חיצוני. כל הפרו-אלקטריות מציגות פיזואלקטריות ולרוב, מקדם פיזואלקטרי אורכי חיובי (d33). המשמעות היא שהגביש מתרחב אם השדה החשמלי המופעל נמצא באותו כיוון של הקיטוב החשמלי.
עם זאת, עבור חפניה, מחקרים הראו תוצאות סותרות, כאשר סרטי חפניה שונים מתרחבים או מתכווצים באותם תנאי ניסוי. יתרה מכך, הקיטוב הפרו-אלקטרי יכול כנראה לעבור כנגד השדה החשמלי, מה שנקרא מיתוג "חריג".
ההשפעה: קיטוב ושדה חשמלי מצביעים לאותו כיוון. עם d33 חיובי, המדגם מתרחב, בעוד שהחומר מתכווץ כאשר d33 שלילי. קרדיט: לורה קאניל
נחקרה התנהגות לא שגרתית
שיתוף פעולה בינלאומי בראשות פרופ' ד"ר קתרין דובורדיו, HZB, הבהיר כעת לראשונה כמה היבטים של תוצאות מסתוריות אלה וגילה התנהגות לא שגרתית בחפניה. הם חקרו את Hf0.5Zr0.5O2 קבלים (HZO) המשתמשים במיקרוסקופיה של כוח פיאזו-תגובה (PFM): מחט מוליכה סורקת את פני הדגימה תחת מתח חשמלי קטן ומודד את התגובה הפיזואלקטרית המקומית.
מיתוג פיזואלקטריות
המחקר שלהם גילה שפיזואלקטריות ב-HZO אינה פרמטר בלתי משתנה אלא היא ישות דינמית שניתן לשנות, באותו חומר ממש, על ידי גירוי חיצוני כמו רכיבה חשמלית. טהוא פרואלקטרי קבלי HZO עוברים היפוך אחיד מוחלט של הפיאזואלקטרי d33 סימן מקדם, מחיוב לשלילי, על מחזור שדה חשמלי. כל מיקום בודד של הקבל הפרו-אלקטרי עובר שינוי כזה העובר דרך אפס פיזואלקטריות מקומית במספר מתאים של מחזורי AC.
תמונות פאזה PFM של קבל W/HZO/W. המדגם הטהור מראה מקדם פיזואלקטרי חיובי (משמאל). לאחר יותר מ-8000 מחזורים של שדה אק-חשמלי, המקדם הפיאזואלקטרי שינה את הסימן שלו והוא שלילי (מימין). הקיטוב מצביע כלפי מטה בשתי התמונות. קרדיט: HZB
אפשרות חדשה: חומרים פרואלקטריים ללא פיזואלקטריות
חישובי התיאוריה הפונקציונלית של צפיפות מצביעים על כך שה-d החיובי33 במצב ההתחלתי נובע משלב אורתורומבי קוטבי מט-יציב שמתפתח בהדרגה, תחת מחזוריות AC, לקראת השלב הקוטבי היציב המפותח במלואו עם d שלילי33. חישובי ה-DFT לא רק להציע מנגנון עבור ד33 היפוך סימנים אך גם לחזות תוצאה פורצת דרך: התרחשות אפשרית של תרכובת פרו-אלקטרית שאינה פיזואלקטרית, אשר נצפית בניסוי.
יישומים חדשים
"בפעם הראשונה, הצלחנו לצפות בניסוי בהיפוך סימן של האפקט הפייזואלקטרי בכל שטח הקבל בחשמל הפרו-אלקטרי הזה של Hafnia Zirconia תחת שדה חשמלי מופעל", קובעת קתרין דובורדיו. לגילוי הזה יש פוטנציאל עצום ליישומים טכנולוגיים.
"מכיוון שניתן לשנות באופן דינמי את הפיאזואלקטריות בחומרים אלו ואף לבטל את הקיטוב בזמן שהקיטוב נשאר חזק, אנו רואים סיכויים פנטסטיים לפיתוח HfO ferroelectric2-מכשירים מבוססי עם פונקציות אלקטרומכניות. יתרה מכך, מנקודת מבט בסיסית, האפשרות של תרכובת פרו-אלקטרית שאינה פיזואלקטרית תחולל מהפכה בחזון הפרו-חשמליות שלנו", אומרת קתרין דובורדיו.
