Dominios ferroeléctricos subnanométricos a partir de una banda polar plana
Contexto
La memoria ferroeléctrica almacena un bit en la dirección de la polarización espontánea de un dominio. Cuanto más pequeño es el dominio, mayor es la densidad de grabación. Pero en los ferroeléctricos convencionales la banda fonónica polar tiene dispersión, y para condensar el modo blando se necesitan dominios de tamaño finito (de varios nanómetros o más). Una banda plana elimina esta restricción: estabiliza dominios ultraestrechos con una energía de pared de dominio casi nula. Hasta ahora solo se conocía una banda polar plana unidimensional en el óxido de hafnio, que da lugar a dominios lineales de media celda de ancho. La banda plana bidimensional seguía siendo esquiva, aunque es precisamente la que se necesita para dominios cuadrados y una densidad máxima. El trabajo está bastante aislado: a su alrededor, en el archivo, hay investigaciones sobre superredes, ferroeléctricos y superconductividad, pero no tiene vecinos directos en lo que respecta a bandas polares planas bidimensionales.
Métodos
Los autores mezclaron los modos polar y antipolar en una superred (BaTiO3)1/(BaXO3)1 (X = Zr, Sn) con ordenamiento columnar. El análisis de simetría mostró que la mezcla de los modos Γ15z y M3'z está mediada por el modo antipolar M4. En el BaTiO3 volumétrico este modo es rígido y no se condensa, pero en la superred, debido a la diferencia de radios atómicos entre Ti y Zr/Sn, los octaedros de oxígeno se desplazan de tal manera que el modo M4 surge de forma natural. Los cálculos mediante la teoría del funcional de la densidad (DFT) con el funcional PBEsol y teniendo en cuenta la dinámica de red (DFPT) mostraron que en la superred la banda polar se vuelve plana en todo el plano de Brillouin.
Resultados
En la fase ferroeléctrica P4mm de las superredes BT1/BZ1 y BT1/BS1, la banda fonónica polar es plana a lo largo de las direcciones Γ–X–M–Γ. Esto significa que los dipolos están localizados en el plano xy y casi no interactúan. La conmutación de un solo dipolo en una supercelda de 4×4×1 da una configuración estable con una energía de pared de dominio de solo 2.2 (1.5) mJ/m². La polarización en la celda conmutada se mantiene en −19.8 (−18.5) µC/cm², cerca del valor volumétrico. La barrera de conmutación de un solo dipolo, estimada mediante el método NEB, es de 0.135 (0.083) eV por celda unitaria y coincide con la barrera de Landau. La densidad de dominios alcanza ~320 (~303) Tbit/cm², si se cuenta un bit por dominio. Es un récord entre los ferroeléctricos conocidos.
Implicaciones
El trabajo se distingue de sus vecinos en el archivo porque por primera vez realiza una banda polar plana bidimensional en un ferroeléctrico. Los trabajos cercanos estudian superredes, películas ferroeléctricas y superconductividad, pero no llegan a dominios cuadrados subnanométricos. Aquí, en cambio, el dominio ocupa un cuarto de celda unitaria y la energía de pared de dominio es casi nula. Esto cambia la idea del tamaño mínimo de un dominio ferroeléctrico y abre el camino hacia memorias con una densidad limitada únicamente por la escala atómica.
Desarrollo futuro
Las bandas polares planas bidimensionales pueden buscarse en otras superredes e interfaces. Es posible crear bandas planas tridimensionales si se logra suprimir la dispersión en todas las direcciones. La realización experimental de superredes columnares BT1/BX1 sobre sustratos de MgO parece factible, lo que permitirá comprobar las predicciones y medir las características reales de conmutación.
Impacto
Los resultados influirán en el desarrollo de memoria no volátil ultradensa, computación neuromórfica y dispositivos en los que se requiera un control de la polarización con precisión atómica.
Próximos pasos
El siguiente paso es la síntesis de superredes columnares BT1/BZ1 y BT1/BS1 y la confirmación experimental de los dominios ultradensos. También es importante estudiar la dinámica de conmutación a temperatura ambiente y el efecto de los defectos.
Problemas abiertos clave
El trabajo está directamente relacionado con el problema del tamaño mínimo del dominio ferroeléctrico. Hasta ahora se creía que la dispersión del modo polar imponía una limitación fundamental por abajo. La banda plana elimina esta limitación, pero queda una pregunta: hasta qué punto son estables estos dominios a temperatura finita y cómo interactúan con los defectos y los electrodos.
Una densidad de 320 Tbit/cm² significa que en una superficie del tamaño de un sello postal se puede almacenar el contenido de varios millones de libros.
La idea de almacenar información en celdas atómicas individuales conecta con el concepto de «memoria atómica» de la novela de Arthur Clarke «La ciudad y las estrellas», donde el conocimiento se guardaba en estructuras cristalinas.
Cifras clave
- densidad de dominios: ~320 Tbit/cm²
- área del dominio: 0.31 nm²
- energía de pared de dominio: 2.2 mJ/m²
- barrera de conmutación: 0.135 eV/celda
- polarización local en la columna: 101.2 µC/cm²