Titanate de baryum et strontium sensible à la déformation (Ba X -Sr 1 fois -TiO 3 ) les systèmes pérovskites sont largement utilisés pour leurs comportements diélectriques non linéaires supérieurs. Dans un nouveau rapport sur Avancées scientifiques, D.L. Ko et une équipe de recherche en science et ingénierie des matériaux, la physique, l'électronique et l'ingénierie de l'information à Taïwan, Hong Kong et les États-Unis ont développé de nouvelles hétérostructures dont le paraélectrique Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 (BSTO) et ferroélectrique BaTiO 3 (BTO) par épitaxie sur un substrat de muscovite flexible. L'application d'une force mécanique par simple flexion régule la constante diélectrique (potentiel d'énergie électrique) pour BSTO allant de -77 à 36%, ainsi que le courant de canal des transistors à effet de champ ferroélectrique à base de BTO, par deux ordres. Ko et al. ont étudié le mécanisme détaillé en explorant la transition de phase et la détermination de la structure de bande pour mettre en œuvre des simulations de champ de phase et fournir un support théorique. Le domaine ouvre une nouvelle voie pour les composants contrôlables mécaniquement basés sur l'hétéroépitaxie d'oxyde de haute qualité.

La configuration périodique des atomes dans un solide est une conséquence de la minimisation de l'énergie, où les atomes impliqués et leur arrangement correspondant peuvent déterminer les propriétés des matériaux. Par conséquent, les scientifiques des matériaux peuvent ajuster dynamiquement la périodicité des arrangements d'atomes ou des applications de contrainte dans une approche fondamentale pour ajuster les fonctionnalités des matériaux. Les chercheurs avaient précédemment proposé plusieurs approches pour imposer une contrainte aux matériaux, notamment l'application d'une pression hydrostatique pour observer le déplacement des pics de diffraction via une analyse aux rayons X comme preuve directe d'une altération du réseau par une force externe. Par exemple, des stimuli externes tels que des champs magnétiques, les champs électriques et l'éclairement lumineux peuvent subir un changement de maille dû à la magnétostriction, électrostriction et photostriction. Le concept d'application d'une force mécanique aux matériaux peut être réalisé par pliage manuel car c'est la méthode la plus simple pour provoquer une déformation des matériaux. Afin d'imposer une contrainte sans l'absorption par formation de défauts, les scientifiques des matériaux ont besoin de matériaux de haute qualité tels que des monocristaux ou des films épitaxiaux, bien que la plupart des monocristaux ne puissent pas être pliés mécaniquement.

Les muscovites d'oxyde en couches bidimensionnelles (2D) sont un candidat éligible en raison de leur flexibilité mécanique supérieure et de leur point de fusion élevé (~1260 ⁰ C à 1290 ⁰ C). Si une contrainte peut être appliquée à un réseau diélectrique non linéaire, alors il peut changer sa capacité de stockage de charge et l'amplitude de la polarisation ferroélectrique. Les matériaux diélectriques non linéaires offrent un couplage fort entre la structure et les propriétés du réseau et parmi les diélectriques non linéaires traditionnels - la pérovskite non toxique Ba X Sr 1 fois TiO 3 les systèmes ont montré une grande sensibilité à l'application de contraintes. Par conséquent, Ko et al. Ba paraélectrique sélectionné 0,5 Sr 0,5 TiO 3 (BSTO) et ferroélectrique BaTiO 3 comme systèmes modèles dans la présente étude pour présenter un contrôle par flexion mécanique.

L'équipe de recherche a réglé la transition de phase ferroélectrique à paraélectrique du Ba X Sr 1 fois TiO 3 système pour contrôler les propriétés diélectriques et ferroélectriques correspondantes par flexion mécanique. Ils ont utilisé la capacité-tension (CV), mesures de tension de polarisation (PV) et courant-tension (IV) pour caractériser la constante diélectrique du BSTO et les propriétés ferroélectriques du BTO. Ils ont également construit un transistor à effet de champ ferroélectrique (FeFET) sur la base de BTO avec une couche semi-conductrice d'oxyde de zinc dopé à l'aluminium (AZO) à haute mobilité et mesuré son courant de canal pour étudier l'effet de flexion sur le condensateur BSTO et le BTO FeFET. L'équipe a observé le changement de réseau sous flexion à l'aide de la spectroscopie Raman et a utilisé la spectroscopie photoélectronique à rayons X pour mettre en évidence l'influence de la polarisation BTO sur la structure électronique de la couche semi-conductrice AZO dans diverses conditions de flexion.

Ko et al. conçu le condensateur BSTO et les systèmes BTO FeFET sur des substrats de muscovite avec une cristallinité supérieure, que l'équipe a examinée par diffraction des rayons X. Ils ont noté une qualité cristalline élevée de l'hétérostructure sans phases secondaires et ont calculé la qualité cristalline de chaque couche en utilisant la mesure de la courbe oscillante. Pour examiner la microstructure du matériau, ils ont caractérisé l'hétérostructure par microscopie électronique à transmission à haute résolution et étudié la déformation par flexion mécanique à l'aide de substrats de muscovite en raison de leur flexibilité mécanique, où les muscovites plus minces ont montré une meilleure flexion au cours des expériences.

L'équipe a imposé une contrainte par flexion mécanique pour observer les changements dans la ferroélectricité du BTO et la constante diélectrique du BSTO. Ils ont effectué des mesures de capacité-tension (CV) et de polarisation-tension (PV) pour comprendre si l'intensité de polarisation du BTO s'affaiblissait progressivement sous la flexion mécanique. L'accordabilité électrique du condensateur BSTO a atteint environ 60 à 70%, indiquant une haute qualité des hétérostructures, et la constante diélectrique pourrait être régulée par le champ électrique seul, tout en augmentant ou en diminuant sous des courbures de flexion positives (contrainte de traction) et négatives (contrainte de compression). Ko et al. réglé la quantité de charge stockée dans ce matériau diélectrique en étirant l'architecture du réseau et noté que les comportements relatifs aux propriétés diélectriques non linéaires pouvaient être contrôlés et répétés sous flexion mécanique, avec un grand potentiel dans la pratique.

L'équipe a ensuite étudié la capacité de la flexion mécanique à modifier les propriétés ferroélectriques grâce à des mesures multiples, notamment la spectroscopie Raman dépendant de la température pour étudier la transition de phase des matériaux ferroélectriques. Les résultats ont fourni des preuves directes pour contrôler l'état ferroélectrique par flexion mécanique et une optimisation de la conception du dispositif leur a permis de convertir un condensateur ferroélectrique simple et accordable en un transistor à commande mécanique. La flexion en compression et en traction a diminué le courant à l'état passant, mais l'effet de contrainte était évident sous la flexion en traction. Les scientifiques ont confirmé que le substrat AZO/BTO/SRO (ruthénate de strontium)/muscovite était un transistor contrôlable mécaniquement. L'équipe a confirmé ces effets en utilisant la microscopie à force de réponse piézoélectrique (PFM) et la microscopie à force de sonde Kelvin (KPFM).

De cette façon, D.L. Ko et ses collègues ont développé un condensateur hétéroépitaxique à oxyde flexible et un FeFET, à l'aide de BSTO paraélectrique, BTO ferroélectrique et couches AZO semi-conductrices sur un substrat de muscovite 2-D. Le condensateur BSTO a montré une grande accordabilité de sa constante diélectrique sous flexion mécanique. Dans le composant FeFET, ils ont atteint un changement de deux ordres de grandeur dans le rapport du courant marche/arrêt par rapport à la ferroélectricité BTO. Les résultats de l'étude leur ont fourni des informations critiques sur le mécanisme, dans lequel des propriétés électriques flexibles et ajustables étaient possibles grâce à une simple flexion mécanique. Cette percée ouvrira une voie prometteuse pour les applications futures de la technologie mécaniquement accordable.

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