鐵電無處(chǔ)不在(zài)
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Ferroelectrics everywhere
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新型的鐵電材料(liào)家(jiā)族(zú)為改(gǎi)進(jìn)信(xìn)息和(hé)能(néng)量(liáng)存(cún)儲成(chéng)為可能
New family of ferroelectric materials raises possibilities for improved information and energy storage

日(rì)期(qī)：2021年8月31日

來(lái)源(yuán)：賓(bīn)夕(xī)法(fǎ)尼(ní)亞州立大學

摘(zhāi)要：賓夕法尼亞州(zhōu)立大學的一組研究(jiū)人員(yuán)在(zài)鎂(měi)取代的(dí)氧(yǎng)化鋅中(zhōng)證明(míng)了(liǎo)鐵電性(xìng)，這(zhè)意(yì)味將會(huì)出(chū)現一種新的(dí)材(cái)料(liào)係列(liè)，可以(yǐ)改善(shàn)數字(zì)信(xìn)息(xī)存(cún)儲並(bìng)使用更(gēng)少(shǎo)的(dí)能源。

賓夕(xī)法尼(ní)亞(yà)州立(lì)大(dà)學的一組(zǔ)研究(jiū)人員(yuán)在鎂取(qǔ)代的氧化鋅(xīn)中證明了鐵(tiě)電性，這(zhè)意(yì)味將會(huì)出現(xiàn)一(yī)種新(xīn)的(dí)材料(liào)係列(liè)，可(kě)以改(gǎi)善數(shù)字(zì)信息(xī)存儲(chǔ)並使用更少的(dí)能(néng)源。

製造鐵(tiě)電(diàn)鎂取代氧化鋅薄(báo)膜的部分過程包(bāo)括：（左(zuǒ)）顯示從(cóng)金屬(shǔ)源濺射沉(chén)積薄(báo)膜的圖(tú)像(xiàng)；（中(zhōng)心）薄(báo)膜電(diàn)容器(qì)的鐵電(diàn)磁滯(zhì)回綫，在(zài)零場下(xià)顯示(shì)出兩種剩餘極(jí)化狀態(tài)；（右）原(yuán)子力(lì)顯微(wēi)鏡圖像(xiàng)顯(xiǎn)示納(nà)米(mǐ)尺度的(dí)光滑(huá)表(biǎo)麵和非常細(xì)粒度和纖(xiān)維(wéi)紋理(lǐ)的微(wēi)觀(guān)結(jié)構。圖(tú)片來源：賓(bīn)夕(xī)法尼(ní)亞州立大(dà)學材料研(yán)究(jiū)所(suǒ)

鐵電(diàn)材(cái)料是(shì)自發(fā)極化的，因為(wéi)材料中的負電(diàn)荷和正(zhèng)電荷(hé)趨向於相反(fǎn)的兩(liǎng)側，並且在(zài)施加外(wài)部電場時(shí)會重(zhòng)新(xīn)定向。它們(mén)會受到物理(lǐ)力的(dí)影響，這(zhè)就是(shì)為(wéi)什麼(mó)它(tā)們可用(yòng)於(yú)按(àn)鈕式點火(huǒ)器，例(lì)如燃(rán)氣烤架(jià)中(zhōng)的按鈕式點(diǎn)火器。它們還(huán)可(kě)以用(yòng)於(yú)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和記(jì)憶，因為它(tā)們(mén)在沒有(yǒu)額外功(gōng)率的情(qíng)況(kuàng)下(xià)保持一(yī)種(zhǒng)極化(huà)狀(zhuàng)態，因此是(shì)低能(néng)量數(shù)字存儲解決方案。

賓夕(xī)法尼亞州立(lì)大學材料科學(xué)與(yǔ)工程教(jiào)授(shòu) Jon-Paul Maria 說(shuō)：“我(wǒ)們已經確(què)定了一(yī)個新的(dí)材(cái)料(liào)係列，我們可(kě)以(yǐ)用這些材(cái)料製造(zào)微型電容(róng)器，我(wǒ)們(mén)可(kě)以設置(zhì)它(tā)們的極(jí)化(huà)方向，使它們(mén)的(dí)表麵電荷為(wéi)正或(huò)負。該(gāi)設置是(shì)非易(yì)失(shī)性(xìng)的(dí)，這(zhè)意(yì)味著(zhuó)我(wǒ)們(mén)可(kě)以將電(diàn)容器設(shè)置為(wéi)正值，它保持(chí)正(zhèng)值(zhí)，我們可(kě)以(yǐ)將其(qí)設置(zhì)為(wéi)負值(zhí)，它保持負值(zhí)。然(rán)後我們可以回來(lái)確定我們如何設置該(gāi)電容器(qì)，例(lì)如，一個(gè)小時前(qián)。"

這(zhè)種(zhǒng)能(néng)力可以實(shí)現一種(zhǒng)不像(xiàng)其他(tā)形式(shì)那樣耗電的(dí)數(shù)字存儲(chǔ)形式。“這種類型的存(cún)儲不需(xū)要(yào)額外(wài)的能源，"瑪麗亞說(shuō)：“這(zhè)很重(zhòng)要(yào)，因為我們今天使用的許(xǔ)多(duō)計算機存儲器(qì)需要額外(wài)的電(diàn)力來維持信息(xī)，而我(wǒ)們(mén)在信息上使用了大(dà)量的(dí)美國能(néng)源預(yù)算(suàn)。"

新(xīn)材料由(yóu)鎂取(qǔ)代的氧(yǎng)化(huà)鋅薄膜(mó)製成(chéng)。該薄(báo)膜是通(tōng)過濺(jiàn)射沉(chén)積生(shēng)長(cháng)的(dí)，在(zài)這個過(guò)程中，氬(yà)離子被(bèi)加速到目標材(cái)料，以(yǐ)足(zú)夠(gòu)高(gāo)的(dí)能(néng)量(liáng)撞(zhuàng)擊它，使原子脫離含(hán)有(yǒu)鎂(měi)和鋅的(dí)目標。遊(yóu)離的(dí)鎂和(hé)鋅原子(zǐ)在氣(qì)相中移(yí)動(dòng)，直(zhí)到(dào)它(tā)們與(yǔ)氧(yǎng)氣反應並聚(jù)集在塗(tú)有(yǒu)鉑的氧(yǎng)化鋁基(jī)材上(shàng)並形成薄膜(mó)。

研究(jiū)人(rén)員研(yán)究了(liǎo)鎂取代(dài)氧(yǎng)化鋅(xīn)作為增(zēng)加氧化鋅帶隙(xì)的(dí)一(yī)種方(fāng)法(fǎ)，這是(shì)一種對製造半(bàn)導(dǎo)體很重(zhòng)要的關(guān)鍵材(cái)料特性。然(rán)而，從未(wèi)探(tàn)索(suǒ)過該(gāi)材料的(dí)鐵(tiě)電性(xìng)。盡(jìn)管(guǎn)如此(cǐ)，研(yán)究(jiū)人員(yuán)認為，根(gēn)據埃(āi)文(wén)普大(dà)學(xué)教授，陶瓷科學(xué)與工程 Steward S. Flaschen 教(jiào)授 Maria 和 Susan Trolier-McKinstry 提(tí)出(chū)的(dí)“鐵電(diàn)無(wú)處(chǔ)不(bù)在(zài)"的(dí)想法(fǎ)，該(gāi)材料可以製(zhì)成(chéng)鐵電材料(liào)。作者在(zài)紙(zhǐ)上。

“一(yī)般來說，鐵電(diàn)通常出(chū)現(xiàn)在從結(jié)構(gòu)和(hé)化(huà)學(xué)角(jiǎo)度(dù)來(lái)看很復雜的(dí)礦物中，"瑪麗亞說(shuō)：“我們的團隊(duì)大(dà)約在兩(liǎng)年前提出了(liǎo)這個想(xiǎng)法，還(huán)有其(qí)他(tā)更簡單的(dí)晶(jīng)體(tǐ)可以(yǐ)識(shí)別出這種(zhǒng)有(yǒu)用的現(xiàn)象，因為有一(yī)些綫索(suǒ)讓我們(mén)提出了這(zhè)種(zhǒng)可能性(xìng)。說(shuō)‘鐵電(diàn)體無處不(bù)在’有點(diǎn)像(xiàng)玩(wán)文(wén)字(zì)遊(yóu)戲，但它捕捉到(dào)了(liǎo)我(wǒ)們(mén)周圍有給(gěi)我們(mén)提(tí)示(shì)的材料的(dí)想(xiǎng)法，而(ér)我們(mén)很(hěn)長(cháng)一段時間都(dū)忽略(lüè)了(liǎo)這(zhè)些提示(shì)。"

Trolier-McKinstry 的研(yán)究(jiū)生涯(yá)主要集(jí)中在(zài)鐵電(diàn)體(tǐ)上，包(bāo)括尋找(zhǎo)具有不同特性的更(gēng)好(hǎo)的鐵(tiě)電材(cái)料。她(tā)指出，德國(guó)基爾大學(xué)於 2019 年(nián)在(zài)氮化(huà)物(wù)中發現了這種令(líng)人(rén)驚訝的鐵(tiě)電材料(liào)中的第一種(zhǒng)，但(dàn)她和(hé)瑪(mǎ)麗(lì)亞(yà)在氧化(huà)物(wù)中(zhōng)表現出類(lèi)似(sì)的(dí)行(háng)為(wéi)。

Trolier-McKinstry 和(hé) Maria 的小(xiǎo)組遵(zūn)循的(dí)過(guò)程的一部(bù)分是開發(fā)品質因數(shù)，這是一(yī)個(gè)用於科學(xué)分析的數量(liáng)，例如分(fēn)析(xī)化(huà)學和材(cái)料研(yán)究(jiū)，用於表征設備(bèi)，材料或(huò)方(fāng)法(fǎ)相(xiāng)對於替(tì)代品(pǐn)的(dí)性能(néng)。

Trolier-McKinstry 說(shuō)：“當我(wǒ)們研究(jiū)材料的任何(hé)應用時(shí)，我(wǒ)們(mén)通(tōng)常(cháng)會設計(jì)一個品(pǐn)質因數，說明(míng)我(wǒ)們(mén)需要(yào)對任(rèn)何給(gěi)定(dìng)應用進行(háng)何種材料特性組(zǔ)合才能使(shǐ)其盡(jìn)可能(néng)有效。" “而這(zhè)個(gè)新(xīn)的(dí)鐵(tiě)電體(tǐ)係列，它為我們提供(gōng)了(liǎo)這(zhè)些(xiē)品質(zhì)因數(shù)的(dí)全新(xīn)可(kě)能性。它對過(guò)去我們沒有很(hěn)好的材料集的(dí)應(yīng)用非常有(yǒu)吸(xī)引力(lì)，因此(cǐ)這(zhè)種新(xīn)材料的開(kāi)發往(wǎng)往會激發新(xīn)的應(yīng)用。 "

鎂取(qǔ)代氧化鋅薄膜(mó)的另(lìng)一(yī)個好處是它(tā)們可(kě)以(yǐ)在比(bǐ)其(qí)他鐵(tiě)電材料低(dī)得(dé)多的溫度(dù)下沉積(jī)。

“絕大多數電(diàn)子材(cái)料(liào)都是(shì)在高溫的幫(bāng)助(zhù)下製備的，高溫意味著 300 到 1000 攝氏(shì)度（572 到 1835 華氏(shì)度），"瑪(mǎ)麗(lì)亞(yà)說：“每當你在高(gāo)溫下製造(zào)材(cái)料時(shí)，都會(huì)遇到很(hěn)多困難。它們(mén)往(wǎng)往是工(gōng)程(chéng)上的困難，但盡管(guǎn)如(rú)此，它們還是(shì)讓一切(qiē)變(biàn)得(dé)更(gēng)具挑戰性。考(kǎo)慮到每個電容(róng)器都需(xū)要兩(liǎng)個電(diàn)觸(chù)點——如果我(wǒ)在高(gāo)溫下準(zhǔn)備我的(dí)鐵電層(céng)"至少在這些接觸中(zhōng)的一(yī)個(gè)上，在某(mǒu)些時(shí)候會發(fā)生不需(xū)要的(dí)化(huà)學反應(yīng)。因此，當你可(kě)以在低溫下(xià)製造東西時，你可以更容易地(dì)整(zhěng)合(hé)它們(mén)。"

新(xīn)材(cái)料的下一步是將它們(mén)製(zhì)成大(dà)約 10 納米厚(hòu)，橫(héng)向尺寸(cùn)為 20 至(zhì) 30 納米的(dí)電容器，這是(shì)一(yī)項艱巨的工程(chéng)挑戰。研(yán)究人(rén)員需要創(chuàng)造一種方法(fǎ)來控(kòng)製材料(liào)的(dí)生(shēng)長(cháng)，這(zhè)樣就不(bù)會(huì)出現材(cái)料(liào)缺陷(xiàn)等問題。Trolier-McKinstry 表(biǎo)示(shì)，解決這些問題將是這(zhè)些(xiē)材(cái)料是(shì)否可用(yòng)於(yú)新(xīn)技術的(dí)關(guān)鍵——帶有(yǒu)耗(hào)能(néng)少得多(duō)的芯(xīn)片的手機，可(kě)以持(chí)續運行一(yī)周(zhōu)或更(gēng)長時(shí)間。

“在開(kāi)發新材(cái)料(liào)時(shí)，你必須找出(chū)它們是如(rú)何失效(xiào)的，然後(hòu)了(liǎo)解如何(hé)減輕這(zhè)些失(shī)效(xiào)機(jī)製(zhì)，" Trolier-McKinstry 說：“對於(yú)每(měi)一(yī)個應用程序，你都(dū)需(xū)要決定哪(nǎ)些是(shì)基本屬性，以及它們(mén)將(jiāng)如何隨著(zhuó)時間(jiān)的(dí)推(tuī)移而(ér)發展(zhǎn)。在你(nǐ)對(duì)此進行(háng)一(yī)些(xiē)測量之(zhī)前(qián)，你(nǐ)不知(zhī)道將(jiāng)麵臨哪些(xiē)重(zhòng)大(dà)挑(tiāo)戰，就(jiù)這種材料是(shì)否在(zài)五(wǔ)年內最(zuì)終出現(xiàn)在(zài)您的手機(jī)中而言，可(kě)靠(kào)性和可製(zhì)造(zào)性(xìng)是(shì)巨大(dà)的(dí)。"

來源：賢集(jí)網，題目略有改動

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