DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06978-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38356067
تاريخ النشر: 2024-02-14
المؤلف: Gabriel Sánchez‐Santolino وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد الفيروكهربائية والبيزوكهربائية
طرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون عملية تصنيع أفلام الباريوم تيتانات (BTO) المستقلة على ركائز SrTiO₃ المدعومة بـ La₀.₇Sr₀.₃MnO₃ (LSMO) باستخدام تقنية الرش بالأكسجين النقي تحت ضغط عالٍ. تظهر طبقات BTO، بسمك 15 نانومتر، نموًا عالي التبلور يتميز بواجهات حادة وانحرافات كيميائية طفيفة. تعمل طبقة LSMO كركيزة تضحية، مما يسمح بإطلاق فيلم BTO عند الغمر في محلول حامض KI + HCl الانتقائي لمدة تقارب ثلاثة أيام. قبل النقش، يتم طلاء محلول كربونات البولي بروبيلين (PPC) على BTO بواسطة الدوران، مما يساعد في معالجة ونقل الطبقة المستقلة إلى شبكات أغشية Si₃N₄ المثقوبة لمراقبة لاحقة بواسطة مجهر الإلكترون الناقل (STEM).
تشمل عملية النقل لصق فيلم BTO على ختم من بولي ديميثيل سيليوكسان (PDMS) واستخدام لوحة بيلتييه لتسهيل النقل إلى الشبكة. بعد إزالة PDMS، يتم تنظيف الأغشية باستخدام الأسيتون والكحول الأيزوبروبيلي لإزالة بقايا PPC. يتم تجميع الطبقة الثنائية الملتوية من خلال محاذاة الطبقة الأولى على منصة قابلة للدوران وتحديد موضع الطبقة الثانية بدقة عند زاوية التواء محددة، بدقة 1° وقدرة قياس أكثر دقة تصل إلى 0.1° باستخدام تحليل تحويل فورييه السريع (FFT) لصور مجهر الإلكترون. تظهر الطبقة الثنائية الملتوية مناطق مسطحة واسعة على الرغم من التجاعيد الطفيفة، حيث يكشف مجهر القوة الذرية عن خشونة سطحية صغيرة تبلغ حوالي 0.5 نانومتر (rms) على مسافات بحجم ميكرون.
مناقشة
في هذه الدراسة، يستكشف المؤلفون خصائص الإجهاد والاستقطاب للطبقات الثنائية الملتوية من الباريوم تيتانات (BTO) بسمك 15 نانومتر، المزروعة على ركائز SrTiO$_3$. تظهر الطبقات الثنائية الملتوية، التي تتشكل بزوايا التواء محددة (3°، 6°، 10.4°، و50°)، أنماط موير فريدة تؤثر على الخصائص الهيكلية وحالات الاستقطاب للطبقات. كشفت مجهر الإلكترون الناقل (STEM) عالي الزاوية عن مشهد إجهاد معقد مع إجهادات قص دورية تتوافق مع نمط الموير، مما يشير إلى تفاعلات قوية بين الطبقات. أظهر التحليل أن الاستقطاب في هذه الطبقات الثنائية الملتوية ليس فقط في المستوى ولكن أيضًا يتضمن مكونًا خارج المستوى، مما يؤدي إلى هيكل طوبولوجي غني يتميز بدوامات متناوبة ومضادات دوامات.
يستكشف المؤلفون أيضًا الترابط بين الإجهاد والاستقطاب، مشيرين إلى أن أنسجة الاستقطاب غير المتجانسة التي لوحظت مدفوعة بشكل أساسي بالظروف الحدودية الميكانيكية التي تفرضها الطبقات الملتوية. يقترحون أن تأثيرات الفلكسوالكترية، الناتجة عن تدرجات الإجهاد الكبيرة، مسؤولة عن تعديل حالة الاستقطاب، مما يؤدي إلى شبكة من الدوامات القطبية. تشير النتائج إلى أن زاوية الالتواء يمكن استخدامها لضبط دورية هذه الأنماط الدوامية، مما يفتح آفاقًا لتطبيقات محتملة في أجهزة الذاكرة الفيروكهربائية عالية الكثافة. بالإضافة إلى ذلك، تؤكد الدراسة على أهمية التفاعلات بين الطبقات في الطبقات الهجينة الملتوية، والتي قد تؤدي إلى ظواهر جديدة في المواد الفيروكهربائية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06978-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38356067
Publication Date: 2024-02-14
Author(s): Gabriel Sánchez‐Santolino et al.
Primary Topic: Ferroelectric and Piezoelectric Materials
Methods
In this section, the authors describe the fabrication process for freestanding barium titanate (BTO) films on La₀.₇Sr₀.₃MnO₃ (LSMO) buffered SrTiO₃ substrates using a high-pressure pure oxygen sputtering technique. The BTO layers, with a thickness of 15 nm, exhibit highly epitaxial growth characterized by sharp interfaces and minimal stoichiometry deviations. The LSMO layer serves as a sacrificial substrate, allowing for the release of the BTO film upon immersion in a selective KI + HCl etchant for approximately three days. Prior to etching, a polypropylene carbonate (PPC) solution is spin-coated onto the BTO, which aids in the manipulation and transfer of the freestanding layer onto holey Si₃N₄ membrane grids for subsequent scanning transmission electron microscopy (STEM) observation.
The transfer process involves adhering the BTO film to a polydimethylsiloxane (PDMS) stamp and utilizing a Peltier plate to facilitate the transfer onto the grid. Following the removal of the PDMS, the membranes are cleaned with acetone and isopropyl alcohol to eliminate residual PPC. The assembly of the twisted bilayer is achieved by aligning the first layer on a rotatable platform and accurately positioning the second layer at a specified twist angle, with a precision of 1° and a more refined measurement capability of 0.1° using fast Fourier transform (FFT) analysis of electron microscopy images. The resulting twisted bilayer exhibits extensive flat areas despite minor wrinkling, with atomic force microscopy revealing a small surface roughness of approximately 0.5 nm (rms) over micron-sized distances.
Discussion
In this study, the authors investigate the strain and polarization characteristics of twisted bilayers of barium titanate (BTO) with a thickness of 15 nm, grown on SrTiO$_3$ substrates. The twisted bilayers, formed with specific twist angles (3°, 6°, 10.4°, and 50°), exhibit unique moiré patterns that influence the structural properties and polarization states of the layers. High-angle annular dark-field (HAADF) scanning transmission electron microscopy (STEM) revealed a complex strain landscape with periodic shear strains that correlate with the moiré pattern, indicating strong interlayer interactions. The analysis showed that the polarization in these twisted bilayers is not only in-plane but also includes an out-of-plane component, resulting in a rich topological structure characterized by alternating vortices and antivortices.
The authors further explore the coupling between strain and polarization, highlighting that the observed inhomogeneous polarization textures are primarily driven by the mechanical boundary conditions imposed by the twisted layers. They propose that flexoelectric effects, arising from large strain gradients, are responsible for the modulation of the polarization state, leading to a network of polar vortices. The findings suggest that the twisting angle can be used to tune the periodicity of these vortex patterns, opening avenues for potential applications in high-density ferroelectric memory devices. Additionally, the study emphasizes the significance of interlayer interactions in twisted heterolayers, which may lead to novel phenomena in ferroelectric materials.