Các nhà nghiên cứu tại KAIST, phối hợp với nhiều tổ chức, đã xác nhận bằng thực nghiệm sự phân bố phân cực 3D hình xoáy bên trong các hạt nano quang điện. Sử dụng kỹ thuật chụp cắt lớp điện tử nguyên tử, họ đã lập bản đồ vị trí nguyên tử trong các hạt nano bari titanat và tính toán sự phân bố phân cực bên trong. Khám phá này xác nhận những dự đoán lý thuyết được đưa ra cách đây 20 năm và có tiềm năng phát triển các thiết bị bộ nhớ siêu dày đặc.

Một kaistNhóm nghiên cứu mà ông dẫn đầu đã chứng minh thành công sự phân bố phân cực bên trong ba chiều trong các hạt nano sắt điện, mở đường cho các thiết bị bộ nhớ tiên tiến có khả năng lưu trữ dữ liệu nhiều hơn 10.000 lần so với các công nghệ hiện tại.

Các vật liệu vẫn có từ tính độc lập mà không cần từ trường bên ngoài được gọi là sắt từ. Tương tự như vậy, sắt điện có thể tự duy trì trạng thái phân cực mà không cần bất kỳ điện trường bên ngoài nào, đóng vai trò là chất điện tương đương của sắt từ.

Người ta biết rằng sắt từ sẽ mất tính chất từ ​​tính khi bị giảm kích thước nano xuống dưới một ngưỡng nhất định. Điều gì xảy ra khi các vật liệu sắt điện được chế tạo giống hệt nhau trong một thể tích rất nhỏ theo mọi hướng (tức là trong một cấu trúc không thứ nguyên như hạt nano) đã là chủ đề tranh luận trong một thời gian dài.

Nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Youngsu Yang từ Khoa Vật lý tại KAUST dẫn đầu, lần đầu tiên đã làm sáng tỏ sự phân bố phân cực hình xoáy 3D bên trong các hạt nano sắt điện thông qua nghiên cứu hợp tác quốc tế với POSTECH, SNU, KBSI và LBNL. Và Đại học Arkansas.

Khoảng 20 năm trước, Giáo sư Laurent Belich (hiện làm việc tại Đại học Arkansas) và các đồng nghiệp của ông đã dự đoán về mặt lý thuyết rằng một dạng phân bố phân cực độc đáo, được sắp xếp theo dạng xoáy hình xuyến, có thể xuất hiện bên trong các chấm nano sắt điện. Họ cũng gợi ý rằng nếu sự phân bố xoáy này có thể được kiểm soát hợp lý thì nó có thể được áp dụng cho các thiết bị bộ nhớ mật độ cao có dung lượng lớn hơn 10.000 lần so với các thiết bị hiện có. Tuy nhiên, việc làm rõ bằng thực nghiệm vẫn chưa đạt được do khó đo được sự phân bố phân cực 3D trong cấu trúc nano sắt điện.

Các kỹ thuật tiên tiến trong chụp cắt lớp điện tử

Nhóm nghiên cứu tại KAIST đã giải quyết thách thức 20 năm này bằng cách thực hiện một kỹ thuật gọi là chụp cắt lớp điện tử nguyên tử. Công nghệ này hoạt động bằng cách thu được hình ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua có độ phân giải nguyên tử của vật liệu nano từ nhiều góc nghiêng, sau đó tái cấu trúc chúng thành cấu trúc 3D bằng thuật toán tái tạo tiên tiến. Chụp cắt lớp điện tử có thể hiểu là phương pháp tương tự như phương pháp chụp CT được sử dụng trong bệnh viện để xem các cơ quan nội tạng theo không gian ba chiều; Nhóm KAIST đã điều chỉnh nó một cách độc đáo cho phù hợp với vật liệu nano, sử dụng kính hiển vi điện tử trên một mẫu duy nhất.Ngô mức độ.

Phân bố phân cực ba chiều của hạt nano BaTiO3 được tiết lộ bằng chụp cắt lớp điện tử nguyên tử. (Trái) Sơ đồ kỹ thuật chụp cắt lớp điện tử, bao gồm việc thu nhận hình ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua ở nhiều góc nghiêng và tái cấu trúc chúng thành cấu trúc nguyên tử 3D. (Giữa) Sự phân bố phân cực 3D được xác định bằng thực nghiệm bên trong hạt nano BaTiO3 thông qua phương pháp chụp cắt lớp điện tử nguyên tử. Cấu trúc dạng xoáy có thể nhìn thấy rõ ở gần đáy (chấm màu xanh). (Phải) Mặt cắt ngang 2D của phân bố phân cực, được cắt mỏng ở tâm xoáy, đồng thời màu sắc và các mũi tên chỉ hướng phân cực. Một cấu trúc xoáy khác biệt có thể được quan sát thấy.

Sử dụng kỹ thuật chụp cắt lớp điện tử nguyên tử, nhóm nghiên cứu đã đo vị trí của toàn bộ nguyên tử cation bên trong hạt nano bari titanate (BaTiO3), một vật liệu sắt điện, theo ba chiều. Với sự sắp xếp nguyên tử 3D được xác định chính xác, họ có thể tính toán sâu hơn sự phân bố phân cực bên trong 3D ở cấp độ đơn nguyên tử. Phân tích sự phân bố phân cực, lần đầu tiên bằng thực nghiệm, đã tiết lộ rằng sự sắp xếp phân cực tôpô, bao gồm các xoáy, phản xoáy, skyrmion và điểm Bloch, xảy ra bên trong sắt điện không chiều, như đã được dự đoán về mặt lý thuyết cách đây 20 năm. Hơn nữa, người ta cũng phát hiện ra rằng số lượng xoáy bên trong có thể được kiểm soát bởi kích thước của chúng.

Giáo sư Sergei Brusandev và Giáo sư Belich (người cùng với các đồng nghiệp khác đã đề xuất sự sắp xếp xoáy cực về mặt lý thuyết cách đây 20 năm) đã tham gia sự hợp tác này và cũng chứng minh rằng kết quả phân bố xoáy thu được từ các thí nghiệm phù hợp với tính toán lý thuyết.
Bằng cách kiểm soát số lượng và hướng của các phân bố phân cực này, người ta hy vọng rằng điều này có thể được tận dụng trong các thiết bị bộ nhớ mật độ cao thế hệ tiếp theo có thể lưu trữ lượng thông tin trong chính thiết bị đó gấp hơn 10.000 lần so với các thiết bị hiện có.

Tiến sĩ Yang, người đứng đầu nghiên cứu, giải thích tầm quan trọng của phát hiện này: “Kết quả này chỉ ra rằng việc kiểm soát kích thước và hình dạng của vật liệu sắt điện mà không cần điều chỉnh chất nền hoặc các ảnh hưởng môi trường xung quanh như ứng suất epiticular, có thể điều khiển các xoáy sắt điện hoặc các cách sắp xếp cấu trúc liên kết khác trên quy mô lớn.” Công nghệ nano sau đó có thể áp dụng các nghiên cứu sâu hơn để phát triển thế hệ bộ nhớ siêu dày đặc tiếp theo.

Tham khảo: “Tiết lộ trật tự ba chiều của cấu trúc liên kết cực trong hạt nano” của Chihwa Jeong, Joo Hyuk Lee, Hyesung Jo, Jayohan Oh, Hyunsuk Baek, Kyung Joon Jo, Junwoo Son, Se Young Choi, Sergey Brusandev, Laurent Belich và Youngsoo Dương, ngày 8 tháng 5 năm 2024, Truyền thông thiên nhiên.
doi: 10.1038/s41467-024-48082-x

Nghiên cứu này chủ yếu được hỗ trợ bởi các khoản tài trợ của Quỹ nghiên cứu quốc gia Hàn Quốc (NRF) do chính phủ Hàn Quốc (MSIT) tài trợ.