Materialien, die ohne äußeres Magnetfeld einen magnetisierten Zustand aufrechterhalten können (also Permanentmagnete), werden Ferromagnete genannt. Ferroelektrika kann man sich als das elektrische Gegenstück zu Ferromagneten vorstellen, da sie ohne äußeres elektrisches Feld einen polarisierten Zustand aufrechterhalten.
Es ist bekannt, dass Ferromagnete ihre magnetischen Eigenschaften verlieren, wenn sie auf Nanogrößen unterhalb eines bestimmten Schwellenwerts reduziert werden. Was passiert, wenn Ferroelektrika in ähnlicher Weise in alle Richtungen extrem klein gemacht werden (d. h. in eine nulldimensionale Struktur wie Nanopartikel), ist seit langem ein kontroverses Thema.
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Yongsoo Yang von der Fakultät für Physik des KAIST hat im Rahmen einer internationalen Forschungskooperation mit POSTECH, SNU, KBSI, LBNL und der University of Arkansas erstmals die dreidimensionale, wirbelförmige Polarisationsverteilung innerhalb ferroelektrischer Nanopartikel experimentell aufgeklärt.
Diese Forschung wurde online veröffentlicht in Naturkommunikation in einem Artikel mit dem Titel „Aufklärung der dreidimensionalen Anordnung der polaren Topologie in Nanopartikeln.“
Vor etwa 20 Jahren sagten Prof. Laurent Bellaiche (derzeit an der University of Arkansas) und seine Kollegen theoretisch voraus, dass in ferroelektrischen Nanopunkten eine einzigartige Form der Polarisationsverteilung auftreten könnte, die in Form eines toroidalen Wirbels angeordnet ist. Sie schlugen auch vor, dass diese Wirbelverteilung, wenn sie richtig kontrolliert werden könnte, auf ultrahochdichte Speichergeräte mit einer Kapazität angewendet werden könnte, die über 10.000 Mal größer ist als die derzeit verfügbaren.
Eine experimentelle Klärung gelang jedoch nicht, da es schwierig war, die dreidimensionale Polarisationsverteilung innerhalb ferroelektrischer Nanostrukturen zu messen. Nun hat das Forschungsteam am KAIST diese 20 Jahre alte Herausforderung erfolgreich gelöst, indem es eine Technik namens Atomelektronentomographie implementierte.
Bei dieser Technik werden Transmissionselektronenmikroskopbilder der Nanomaterialien in atomarer Auflösung aus mehreren Neigungswinkeln aufgenommen und diese dann mit Hilfe hochentwickelter Rekonstruktionsalgorithmen wieder in dreidimensionale Strukturen rekonstruiert.
Unter Elektronentomographie versteht man im Wesentlichen die gleiche Methode, die auch bei CT-Scans in Krankenhäusern zum Einsatz kommt, um innere Organe dreidimensional zu betrachten. Das KAIST-Team hat sie speziell für Nanomaterialien angepasst und nutzt dabei ein Elektronenmikroskop auf Einzelatomebene.
Mithilfe der Atomelektronentomographie vermaß das Team die Positionen der Kationenatome in Nanopartikeln aus Bariumtitanat (BaTiO3), einem bekannten ferroelektrischen Material, vollständig in drei Dimensionen. Aus den präzise bestimmten dreidimensionalen Atomanordnungen konnten sie die interne dreidimensionale Polarisationsverteilung auf Einzelatomebene weiter berechnen.
Die Analyse der Polarisationsverteilung ergab erstmals experimentell, dass innerhalb der nulldimensionalen Ferroelektrika topologische Polarisationsordnungen auftreten, die Wirbel, Antiwirbel, Skyrmionen und einen Bloch-Punkt umfassen, wie dies vor 20 Jahren theoretisch vorhergesagt wurde. Darüber hinaus wurde auch festgestellt, dass die Anzahl der internen Wirbel in Abhängigkeit von ihrer Größe gesteuert werden kann.
Prof. Sergey Prosandeev und Prof. Bellaiche (die zusammen mit anderen Mitarbeitern vor 20 Jahren die Anordnung des Polarwirbels theoretisch vorgeschlagen hatten) schlossen sich dieser Zusammenarbeit an und bewiesen darüber hinaus, dass die aus Experimenten erhaltenen Ergebnisse zur Wirbelverteilung mit den theoretischen Berechnungen übereinstimmen.
Durch die Steuerung der Anzahl und Ausrichtung dieser Polarisationsverteilungen ist zu erwarten, dass dies in einem hochdichten Speichergerät der nächsten Generation genutzt werden kann, das im Vergleich zu bestehenden Geräten bei gleicher Größe mehr als 10.000 Mal so viele Informationen speichern kann.
Dr. Yang, der die Forschung leitete, erläuterte die Bedeutung der Ergebnisse: „Dieses Ergebnis lässt darauf schließen, dass man ferroelektrische Wirbel oder andere topologische Ordnungen im Nanomaßstab manipulieren kann, indem man allein die Größe und Form von Ferroelektrika steuert, ohne das Substrat oder umgebende Umwelteinflüsse wie epitaktische Spannungen anpassen zu müssen. Weitere Forschung könnte dann zur Entwicklung von ultrahochdichten Speichern der nächsten Generation genutzt werden.“
Mehr Informationen:
Chaehwa Jeong et al., Aufdeckung der dreidimensionalen Anordnung der polaren Topologie in Nanopartikeln, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-48082-x