De har löst ferroelektricitetens gåta

Nu 2018 har forskarna lyckats visa att de fenomen existerar som Franz Preisach tog fram en modell för 1935. I Nature Communications visar forskare vid universiteten i Linköping och Eindhoven varför ferroelektriska material fungerar som de gör. 

Tim Cornelissen och Indre Urbanavicuite Tim Cornelissen och Indre Urbanavicuite Thor Balkhed

Ferroelektricitet är inte lika väl känd som ferromagnetism. Järn, kobolt och nickel är exempel på vanliga ferromagnetiska material. Elektronerna i de ferromagnetiska materialen fungerar som små magneter, dipoler, med en nordpol och en sydpol. Inom ferroelektriciteten är dipolerna inte magnetiska utan elektriska, med en positiv och en negativ pol.

När materialet inte utsätts för något magnetfält (för ferromagnetiska material) eller elektriskt fält (för ferroelektriska material) är polerna inne i materialet orienterade åt alla olika håll. När ett tillräckligt starkt fält läggs över materialet ställer dock dipolerna in sig i samma riktning som fältet. Märkligt nog behåller dipolerna sin riktning i de ferroiska materialen, även när fältet stängs av - materialet är och förblir polariserat. För att ändra riktningen på polarisationen krävs ett motsvarande starkt fält, ett kritiskt fält, i motsatt riktning. Effekten kallas hysteres - materialets beteende beror på vad som tidigare hänt med det, dess historia. Det är också hysteres som fenomen som gör materialen extra lämpligt för exempelvis minnen i hårddiskar.

Preisach-modellen

För ett idealt ferroelektriskt material byter hela materialet polarisation samtidigt när det kritiska fältet läggs på, med en väl definierad hastighet. I verkligheten byter dock olika delar av det ferroelektriska materialet polarisation vid olika kritiska fält och med olika hastighet.
Att förstå hur detta fungerar är nyckeln till att kunna optimera materialen för olika praktiska tillämpningar, som minnen.

En modell för ferroelektricitet och ferromagnetism togs fram av den tyske forskaren Franz Preisach redan 1935. Den rent matematiska Preisach-modellen beskriver de ferroiska Martijn Kemerink Foto Thor Balkhedmaterialen som en stor samling av små oberoende moduler, så kallade hysteroner. Varje hysteron beter sig idealt, men har sitt eget kritiska fält. Forskarvärlden är överens om att modellen ger en korrekt beskrivning av materialen men har inte förstått fysiken som modellen bygger på. Finns verkligen hysteronerna? Varför är deras kritiska fält olika? Och framför allt: varför fungerar ferroiska material som de gör?

Hysteronerna finns

Nu har forskargruppen kring professor Martijn Kemerink, Avdelningen för komplexa material och system vid LiU, i samarbete med forskare vid universitetet i Eindhoven studerat organiska ferromagnetiska material och hittat förklaringen:

De molekyler som de organiska ferroelektriska materialen består av placerar sig gärna ovanpå varandra och bildar staplar, eller torn, cirka en nanometer breda och flera nanometer höga.

– Vi kan visa att staplarna är de hysteroner vi har sökt. Fenomenet uppstår eftersom staplarna har olika storlek och står så tätt packade att de interagerar med varandra.
Förutom varje stapels unika storlek så har de också helt olika omgivningar att interagera med, vilket förklarar spridningen i Preisach-modellen, säger Martijn Kemerink.
Forskarna har nu visat att det icke-ideala bytet av polarisationsriktning i de ferroelektriska materialen beror på materialets nanostruktur - hur många staplar som interagerar med varandra och hur de gör det.

Generellt fenomen

– För att testa våra idéer fick vi utveckla nya metoder för att kunna mäta ändringen i polarisationsriktning för varje hysteron. Vi har visat hur molekylerna interagerar med varandra i nanometerskalan och vi kan även beräkna och förutsäga formen på hystereskurvan. Detta förklarar också varför fenomenet fungerar som det gör. Vi har visat hur spridningen av hysteroner orsakats i två olika ferroelektriska organiska material, men sannolikheten är stor att detta är ett generellt fenomen. Jag är extremt stolt över mina doktorander, Indre Urbanavicuite och Tim Cornelissen, som kunnat visa detta säger Martijn Kemerink.

Upptäckten banar vägen för design av material lämpliga för små multibits-minnen och är ännu ett steg på vägen mot framtidens små och flexibla minnen.

Forskningen har bland annat utförts med medel från den strategiska satsningen på Avancerade funktionella material, AFM, vid LiU.

Artikeln: Physical reality of the Preisach model for organic ferroelectrics,
I. U Urbanaviciute, T. D. Cornelissen, X. Meng, R. P. Sijbesma, M. Kemerink, Nature Communications 2018. DOI 10.1038/s41467-018-06717-w

Ferroelektricitet

Illustration av ferroelektriskt beteende

De organiska ferroelektriska materialen består av nanometerhöga staplar av tallriksformade molekyler som fungerar som hysteroner med ideala ferroelektriska beteenden. Kombineras de i exempelvis små minnen ger det den karakteristiska avrundade hystereskurvan. Indre Urbanaviciute och Tim Cornelissen

Kontakt

Fler nyheter

Senaste nytt från LiU