新技术揭示铁电纳米材料亚原子结构

据物理学家组织网7月9日（北京时间）报道，最近，美国能源部布鲁克海文国家实验室、劳伦斯·伯克利国家实验室等利用电子全息摄影技术，拍下铁电纳米材料亚原子结构，并揭示了它的性质。研究人员指出，这是迄今拍下铁电亚原子结构最小尺度，有助于理解铁电材料的性质，扩大其研发和应用，研发新一代先进电子设备。相关论文发表在7月8日的《自然—材料》杂志上。这种电子全息摄影术能以皮米（10的负12次方）精确度，拍下材料原子位移所产生的电场图像。布鲁克海文物理学家朱毅梅（音译）说：“这是我们第一次看到原子的确切位置，并把它和纳米粒子的铁电现象联系起来。这种基础突破不仅是技术上的里程碑，也为工程应用带来了可能。” 铁磁材料日常生活中随处可见，这种材料本身有磁偶极距，指向北极或南极。这些偶极距自身趋向于排列整齐，由此产生了吸引和排斥的磁化作用。通过外加磁场翻转磁化作用，就能操控这些材料。铁电材料与铁磁材料同族，它们在分子尺度也有偶极距，但是正负电极而不是磁极，通过外加电场也能翻转这种电极。这种关键特征来自材料内部亚原子层面的不对称和排列现象。在新研究中，研究人员首次通过透射电子显微镜将这种现象拍摄下来。目前的磁性存储设备，如大部分计算机中的硬盘，是通过翻转内部磁矩（对应于计算机二进制代码1或0），将信息“写入”铁磁材料。而铁电存储是通过电场将材料的两种电极状态结合起来，转化为代码，在计算机上写入和读出数据信息。而最终在效率上，铁电材料有望胜过铁磁材料。铁电材料将信息存储在更小的空间，几乎是从微米下降到纳米。在纳米级别，每个粒子都是一个比特。但要扩展到应用设备上，必须知道怎样压缩它们才不会牺牲内部电极。理论上这是非常困难的，研究人员解释说，实验所演示的电子全息摄影术，能确定各种情况下的所需参数。该研究揭示了单个铁电粒子能保持电极的稳定性，这意味着每个纳米粒子能作为一个数据比特。但由于它们存在边缘场，还需要一些活动空间（约5个纳米）才能有效操作。否则可能在扩展到计算机存储中时，不能保持代码完整性而破坏信息。布鲁克海文物理学家韩永建（音译）表示，铁电材料能提高存储密度，每平方英寸铁电材料制成的电子设备存储的信息达到兆兆字节，新技术让我们离设计制造这种设备更进一步。（来源：科技日报常丽君）