Silikon üzerindeki kurşunsuz üst kafeslerde keşfedilen kutupsal girdap desenleri

HZB’deki bir ekip, ilk kez, silikon üzerindeki (BaTiO₃/SrTiO₃)₁₀ süper örgülerinde kutupsal girdapları rapor etti. Bu sonuçlar, üzerinde polar topolojik dokuların oluşabileceği malzeme ve alt katman yelpazesini genişletiyor ve karmaşık ferroelektrik durumların silikon bazlı teknolojilere dahil edilmesi için yeni seçenekler açıyor.

Girdaplar gibi kutupsal dokular şimdiye kadar neredeyse yalnızca oksit substratlar üzerinde ultra ince ferroelektrik ve dielektrik titanat katmanları içeren kurşun içeren süper örgülerde gözlemlendi. Elektriksel kuvvetler, mekanik gerilimler (alt tabaka tarafından uygulanan) ve polarizasyon yönünü değiştirmek için gereken enerji arasındaki hassas denge, ferroelektrik katmanlarda farklı elektriksel dipol desenlerine yol açar.

Prensip olarak karmaşık kutup durumlarına sahip yapılar, yapılar küçük, kararlı olduğundan ve dış elektrik alanlarından etkilenebildiğinden, belirli işlevlere sahip yeni bileşenler geliştirmek için kullanılabilir. Ancak bunu başarmak için zehirli kurşunun değiştirilmesi ve katmanların, yarı iletken endüstrisinin her yerde bulunan platformu olan silikon substratlar üzerine biriktirilmesi önemli olacaktır.

Silikon üzeri üst yapı

HZB fizikçisi Dr. Catherine Dubourdieu liderliğindeki bir ekip bunu başardı: Doğa İletişimiEkip, düzenli kutupsal girdap şeritleri sergileyen, silikon üzerinde epitaksiyel olarak büyütülmüş alternatif baryum ve stronsiyum titanat katmanları sunuyor.

Katman sistemi, HZB Kuantum Malzemeleri laboratuvarında moleküler ışın epitaksisi ile oluşturuldu. Humboldt Üniversitesi’nden profesör Christoph Koch’un grubunun taramalı transmisyon elektron mikroskobunu ve Hamburg’daki PETRA III X-ışını kaynağında daha ileri analizleri kullanarak, düzenli ferroelektrik vorteks tüplerinden oluşan üst yapıyı göstermeyi başardılar.

Sağlam şerit deseni

Her BaTiO₃ katmanındaki girdaplar, BaTiO₃’nun belirli bir kristal yönü boyunca hizalanır ve sağlam bir çizgili desen oluşturur. Silikon substrat, polar girdapların oluşmasını sağlayan gerekli mekanik gerilimi sağlar. Numuneler ısıtıldığında yapısal bir faz geçişi meydana gelir ve polar doku kaybolur. Oda sıcaklığına soğuduktan sonra polar doku yeniden oluşur.

Gerilmenin işlevi açıklandı

ABD Pennsylvania Eyalet Üniversitesi’nden profesör Long-Qing Chen grubu tarafından gerçekleştirilen faz alanı modellemesi, BaTiO₃ ve SrTiO₃ katmanlarının elektrostatik kuvvetler ve mekanik gerilim yoluyla bağlanmasını kopyalıyor. Bu modelleme aynı zamanda BaTiO₃ katmanlarındaki girdap tüplerinin nasıl hizalandığını açıklayarak, gerilimin bir fonksiyonu olarak kutupsal doku modelinin gelişimi hakkında fikir verir.

Araştırmanın ilk yazarı doktora öğrencisi Valentin Hevelke, “Bu, silikon üzerindeki BaTiO₃ süper örgülerinde periyodik olarak sıralanan girdapların ilk kez gerçekleştirilmesidir. Aslında silikon, bu girdap modelini tetiklemek için gerekli gerilimi sağladığı için anahtardır” diyor.

Dubourdieu, “Sonuçlarımız, üzerinde kutupsal topolojik dokuların oluşabileceği malzeme ve alt tabaka yelpazesini genişletiyor ve karmaşık ferroelektrik durumların silikon bazlı teknolojilere dahil edilmesi için yeni seçenekler açıyor” diyor.