Субнанометровые сегнетоэлектрические домены из плоской полярной зоны
Контекст
Сегнетоэлектрическая память хранит бит в направлении спонтанной поляризации домена. Чем меньше домен, тем выше плотность записи. Но в обычных сегнетоэлектриках полярная фононная зона имеет дисперсию, и для конденсации мягкой моды нужны домены конечного размера (несколько нанометров и более). Плоская зона снимает это ограничение: она стабилизирует ультраузкие домены с почти нулевой энергией доменных стенок. До сих пор была известна лишь одномерная плоская полярная зона в оксиде гафния, дающая линейные домены шириной в пол-ячейки. Двумерная плоская зона оставалась неуловимой, хотя именно она нужна для квадратных доменов и максимальной плотности. Работа стоит на отшибе: вокруг неё в архиве лежат исследования сверхрешёток, сегнетоэлектриков и сверхпроводимости, но прямых соседей по двумерным плоским полярным зонам нет.
Методы
Авторы смешали полярную и антиполярную моды в сверхрешётке (BaTiO3)1/(BaXO3)1 (X = Zr, Sn) с колончатым упорядочением. Симметрийный анализ показал, что смешивание мод Γ15z и M3'z опосредуется антиполярной модой M4. В объёмном BaTiO3 эта мода жёсткая и не конденсируется, но в сверхрешётке из-за разницы атомных радиусов Ti и Zr/Sn кислородные октаэдры смещаются так, что мода M4 возникает естественно. Расчёты методом теории функционала плотности (DFT) с функционалом PBEsol и учётом динамики решётки (DFPT) показали, что в сверхрешётке полярная зона становится плоской во всей плоскости Бриллюэна.
Результаты
В ферроэлектрической фазе P4mm сверхрешёток BT1/BZ1 и BT1/BS1 полярная фононная зона плоская вдоль направлений Γ–X–M–Γ. Это означает, что диполи локализованы в плоскости xy и почти не взаимодействуют. Переключение одного диполя в сверхъячейке 4×4×1 даёт стабильную конфигурацию с энергией доменной стенки всего 2.2 (1.5) мДж/м². Поляризация в переключённой ячейке сохраняется на уровне −19.8 (−18.5) мкКл/см², что близко к объёмному значению. Барьер переключения одного диполя, оценённый методом NEB, составляет 0.135 (0.083) эВ/элементарную ячейку и совпадает с барьером Ландау. Плотность доменов достигает ~320 (~303) Тбит/см², если считать один бит на домен. Это рекорд среди известных сегнетоэлектриков.
Значение
Работа отличается от соседей по архиву тем, что впервые реализует двумерную плоскую полярную зону в сегнетоэлектрике. Соседние работы исследуют сверхрешётки, сегнетоэлектрические плёнки и сверхпроводимость, но не достигают субнанометровых квадратных доменов. Здесь же домен занимает четверть элементарной ячейки, а энергия доменной стенки почти нулевая. Это меняет представление о минимальном размере сегнетоэлектрического домена и открывает путь к памяти с плотностью, ограниченной лишь атомным масштабом.
Развитие
Двумерные плоские полярные зоны можно искать в других сверхрешётках и интерфейсах. Возможно создание трёхмерных плоских зон, если удастся подавить дисперсию по всем направлениям. Экспериментальная реализация колончатых сверхрешёток BT1/BX1 на подложках MgO выглядит достижимой, что позволит проверить предсказания и измерить реальные характеристики переключения.
Влияние
Результаты повлияют на разработку сверхплотной энергонезависимой памяти, нейроморфных вычислений и устройств, где требуется атомарная точность управления поляризацией.
Следующие шаги
Следующий шаг — синтез колончатых сверхрешёток BT1/BZ1 и BT1/BS1 и экспериментальное подтверждение сверхплотных доменов. Также важно исследовать динамику переключения при комнатной температуре и влияние дефектов.
Ключевые проблемы
Работа напрямую связана с проблемой минимального размера сегнетоэлектрического домена. До сих пор считалось, что дисперсия полярной моды накладывает фундаментальное ограничение снизу. Плоская зона снимает это ограничение, но остаётся вопрос: насколько стабильны такие домены при конечной температуре и как они взаимодействуют с дефектами и электродами.
Плотность 320 Тбит/см² означает, что на площади размером с почтовую марку можно хранить содержимое нескольких миллионов книг.
Идея хранения информации в отдельных атомных ячейках перекликается с концепцией «атомной памяти» из романа Артура Кларка «Город и звёзды», где знания хранились в кристаллических структурах.
Ключевые числа
- плотность доменов: ~320 Тбит/см²
- площадь домена: 0.31 нм²
- энергия доменной стенки: 2.2 мДж/м²
- барьер переключения: 0.135 эВ/ячейку
- локальная поляризация в колонне: 101.2 мкКл/см²