佐治亚理工学院
信用:CC0公共领域
在过去的几年里，一类被称为反铁电体的材料因其在现代计算机存储器件中的潜在应用而受到越来越多的研究
研究表明，基于反铁电的存储器可能比传统存储器具有更高的能量效率和更快的读写速度，以及其他吸引人的特性
此外，可以表现出反铁电行为的相同化合物已经被集成到现有的半导体芯片制造工艺中
现在，由佐治亚理工学院的研究人员领导的一个小组在反铁电材料二氧化锆中发现了意想不到的熟悉行为
他们表明，随着材料微观结构尺寸的减小，它的行为类似于更好理解的铁电材料
这些发现最近发表在《先进电子材料》杂志上
在过去的五十年里，电路的小型化在提高存储性能方面发挥了关键作用
了解反铁电性质如何随尺寸缩小而改变，应该能够设计出更有效的存储元件
研究人员还指出，除了记忆之外，这些发现还应该在许多其他领域有意义
“反铁电体具有一系列独特的特性，如高可靠性、高耐压性和宽工作温度，这使得它们可用于各种不同的器件，包括高能量密度电容器、传感器和电光电路
该论文的合著者、佐治亚理工学院伍德拉夫机械工程学院和材料科学与工程学院的教授纳扎宁·巴西里-加尔布说
“但尺寸缩放效应在很长一段时间内基本上没有受到关注
" 这篇论文的合著者、佐治亚理工学院电气与计算机工程学院和材料科学与工程学院的助理教授阿西夫·汗说:“你可以设计你的设备，并让它变得更小，因为你确切地知道材料的性能。”
“从我们的角度来看，它确实开启了一个新的研究领域
" 持久的田野 反铁电材料的决定性特征是它对外部电场的特殊响应方式
这种响应结合了非铁电和铁电材料的特性，这些特性在物理学和材料科学中得到了更深入的研究
对于铁电体，暴露在足够强度的外部电场中会使材料变得强烈极化，这是一种材料表现出自身内部电场的状态
即使去除了外部电场，这种极化仍然存在，就像铁钉会被永久磁化一样
铁电材料的性能也取决于它的尺寸
随着材料样本变薄，需要更强的电场来产生永久的极化，这符合一个精确且可预测的定律，即贾诺维克-凯-邓恩(JKD)定律
相比之下，在反铁电体上施加外部电场并不会导致材料极化——首先
然而，随着外部磁场强度的增加，反铁电材料最终会转变为铁电相，此时极化突然开始
将反铁电转变为铁电相所需的电场称为临界场
尺寸缩放 在新的工作中，研究人员发现氧化锆反铁电体也遵循类似JKD定律的东西
然而，与铁电体不同，材料的微观结构起着关键作用
JKD图形中临界场的强度特别是相对于材料中被称为微晶的结构的尺寸而言
对于较小的微晶尺寸，即使样品的厚度保持不变，也需要更强的临界场来将反铁电材料转变为其铁电相
汗说:“没有一个预测性的定律来规定当人们将这些反铁电氧化物器件小型化时，开关电压将如何变化。”
“我们发现了旧法律的新变化
" 研究人员说，以前很难生产出与铁电体尺寸相当的薄反铁电体
领导这项研究的博士生努哈特·塔斯尼姆(Nujhat Tasneem)根据Khan的说法，在实验室里“日夜”工作，以加工和生产单纳米尺寸的无泄漏反铁电氧化锆薄膜
根据Khan的说法，下一步是让研究人员弄清楚如何精确控制微晶尺寸，从而定制用于电路的材料特性
该研究人员还与捷克共和国查理斯大学和智利安德烈斯·贝略大学的研究人员合作，分别进行x光dif分数表征和基于第一性原理的计算
塔斯尼姆说:“这确实是一项跨越多个大陆的合作努力。”
根据巴西里-加尔布的说法，这些结果也应该适用于基础物理问题
近年来，随着微观晶体结构引起宏观极化的方式受到质疑，反铁电体的研究出现了一些神秘现象
Bassiri-Gharb说:“发现两种非常不同类型的材料——具有不同原子结构的铁电体和反铁电体——遵循相似的行为和规律特别令人兴奋。”
“它为寻找更多的相似之处和在各个领域传递更多的知识打开了大门
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