Antiferrosähköisillä ja ferrosähköisillä yhteisiä ominaisuuksia

Tutkimusmaailma on osoittanut, että antiferrosähköisiin perustuvilla muisteilla saattaa olla parempi energiatehokkuus ja nopeampi luku- ja kirjoitusnopeus kuin perinteisillä muisteilla, muiden houkuttelevien ominaisuuksien ohella.

Nyt Georgia Techin tutkijoiden johtama ryhmä on havainnut odottamattoman tutun käyttäytymisen antiferrosähköisestä materiaalista, joka tunnetaan nimellä zirkoniumdioksidi tai zirkonium. He osoittavat, että kun materiaalin mikrorakenne pienenee, se käyttäytyy samalla tavalla kuin paljon paremmin ymmärrettävät ferrosähköiset materiaalit.

"Antiferrosähköisillä tuotteilla on useita ainutlaatuisia ominaisuuksia, kuten korkea luotettavuus, korkea jännitekesto ja laajat käyttölämpötilat, mikä tekee niistä hyödyllisiä monissa erilaisissa laitteissa, mukaan lukien korkean energiatiheyden kondensaattoreita, muuntimia ja sähköoptisia piirejä," sanoi professri Nazanin Bassiri-Gharb. "Mutta koon skaalausvaikutukset olivat suurelta osin jääneet tutkimuksen katveeseen pitkäksi aikaa."

Antiferrosähköisen materiaalin ominaispiirre on sen erikoinen tapa reagoida ulkoiseen sähkökenttään. Tämä vastaus yhdistää ei-ferrosähköisten ja ferrosähköisten materiaalien ominaisuuksia, joita on tutkittu paljon intensiivisemmin fysiikassa ja materiaalitieteessä.

Ferrosähköisillä riittävän voimakas ulkoinen sähkökenttä saa materiaalin polarisoitumaan vahvasti, mikä on tila, jossa materiaalilla on oma sisäinen sähkökenttä. Vaikka ulkoinen sähkökenttä poistetaan, tämä polarisaatio säilyy. Ferrosähköisen materiaalin käyttäytyminen riippuu myös sen koosta. Kun materiaalinäytteestä tehdään ohuempi, tarvitaan vahvempi sähkökenttä pysyvän polarisaation luomiseksi tarkan ja ennustettavan Janovec-Kay-Dunnin (JKD) lain mukaisesti.

Sitä vastoin ulkoisen sähkökentän kohdistaminen antiferrosähköiseen aineeseen ei aiheuta materiaalin polarisoitumista – aluksi. Kuitenkin, kun ulkoisen kentän voimakkuus kasvaa, antiferrosähköinen materiaali siirtyy lopulta ferrosähköiseen faasiin.

Uudessa työssä havaittiin, että zirkoniset antiferrosähköiset aineet näyttävät noudattavan osin JKD-lakia. Toisin kuin ferrosähköisissä materiaaleissa, materiaalin mikrorakenteella on kuitenkin keskeinen rooli. Kriittisen kentän voimakkuus skaalautuu JKD-kuviossa erityisesti suhteessa materiaalin kristalliitteinä tunnettujen rakenteiden kokoon. Pienemmälle kristalliittien koolle tarvitaan vahvempi kriittinen kenttä antiferrosähköisen materiaalin kytkemiseksi ferrosähköiseen faasiinsa, vaikka näytteen ohuus pysyisi samana.

"Ei ollut olemassa ennustavaa lakia, joka määrää, kuinka kytkentäjännite muuttuu, kun näitä antiferrosähköisiä oksidilaitteita pienennetään", Asif Khan sanoo. "Olemme löytäneet uuden käänteen vanhaan lakiin."

Aiemmin ohuita antiferrosähköisiä aineita on ollut vaikea tuottaa samankokoisina kuin ferrosähköisiä, tutkijat kertovat. Seuraava askel Khanin mukaan on selvittää tarkasti, kuinka kristalliitin kokoa voidaan hallita ja siten räätälöidä materiaalin ominaisuuksia sen käyttöä varten piireissä.

Aiheesta aiemmin

Silta ferrosähköisten ja ferromagneettisten materiaalien välille

Magneettis-sähköinen materiaali