Mechanizm zaniku ferroelektryczności w nanowarstwach BaTiO3 pod „komputerową” lupą naszego magistranta
Wyniki pracy magisterskiej Adama Puchalskiego zostały niedawno opublikowane w czasopiśmie Scripta Materialia. Symulacje zachowania nanometrowych warstw tytanianu baru pokazują rolę wolnej powierzchni materiału w wygaszaniu lub wzmacnianiu efektów ferroelektrycznych w bardzo cienkich (4 nm lub 10 atomów) warstwach materiału.
Materiały ferroelektryczne, takie jak tytanian baru, są elektrycznym odpowiednikiem ferromagnetyków. Tak jak żelazo może zostać namagnesowane i działać jak magnes trwały, tak ferroelektryki mogą działać jako elektrety – trwałe „magnesy” pola elektrycznego powszechnie stosowane w elektronice, na przykład mikrofonach.
Podobnie jak ferromagnetyki przez długi czas stanowiły podstawę magazynowania danych w dyskach HDD, taśmach magnetycznych i dyskietkach, ferroelektryki mogą być używane w podobny sposób. Przyłożenie pola elektrycznego do ferroelektryka pozwala „obrócić” jego polaryzację zgodnie z kierunkiem pola i materiał pozostanie w tej polaryzacji po tym, jak pole zostanie wyłączone. Następnie polaryzacja może być odczytana przez układ elektroniczny i mogą pracować przez niemal nieograniczoną liczbę cykli zapisu (producenci chwalą się liczbą 100 bilionów). Operacje zapisu i odczytu są też bardzo szybkie. Problemem pamięci FeRAM jest mała pojemność, spowodowana problemami z miniaturyzacją tych układów – efekty ferroelektryczne zanikają w bardzo cienkich warstwach uniemożliwiając przełączanie polaryzacji.
Celem pracy magisterskiej Adama Puchalskiego było spojrzenie na atomowy mechanizm odpowiadający za zanik ferroelektryczności korzystając z symulacji komputerowych metodami dynamiki molekularnej. Praca była realizowana pod opieką dr. hab. inż. Tomasza Pietrzaka, prof. PW, we współpracy z prof. Pawłem Kęblińskim i dr. Anoopem Kushwahą z amerykańskiego Rensselaer Polytechnic Institute.
– Tytanian baru składa się z naprzemiennych warstw tlenku tytanu (TiO2) i tlenku baru (BaO). W pracy symulowałem struktury, których jedna z dwóch powierzchni jest w kontakcie z nieruchomą warstwą atomów, co efektywnie daje nam tylko jedną wolną powierzchnię. Może być nią właśnie warstwa TiO2 lub BaO. Okazuje się, że kiedy nanostruktura zakończona jest swobodną warstwą BaO, ferroelektryczność zanika bardzo szybko. Kiedy wolna powierzchnia to TiO2, obserwujemy wyraźne przełączanie nawet w warstwach grubości 4 nm — opowiada Adam Puchalski.
Praca zawiera też szczegółowy opis procesu przełączania polaryzacji i towarzyszących temu procesowi fluktuacji. Może prowadzić do lepszego zrozumienia ferroelektryczności w cienkich warstwach i wspomóc eksperymentalne prace dążące do dalszej miniaturyzacji pamięci FeRAM.
