Открыт гибридный материал с уникальной комбинацией электрических свойств для чипов будущего

В арсенале материаловедения давно есть два класса материалов с полярными свойствами: сегнетоэлектрики, в которых электрические диполи сориентированы в одном направлении, и антисегнетоэлектрики, где соседние диполи направлены в противоположные стороны. До сих пор эти классы считались взаимоисключающими. Теперь международная группа учёных опубликовала в Nature Nanotechnology работу о материале, который сочетает оба состояния — и это меняет представления о функциональных диэлектриках.

Что нашли в кристалле K₃[Nb₃O₆(BO₃)₂]

Объект исследования — кристаллическое соединение K₃[Nb₃O₆(BO₃)₂] с несовместным (неколлинеарным) расположением электрических диполей. Именно такая геометрия, выяснили учёные, создаёт необычную «гибридизацию» двух типов полярного порядка.

С одной стороны, материал демонстрирует двойные петли гистерезиса — классический признак антисегнетоэлектрика, переключающегося в сегнетоэлектрическое состояние под сильным электрическим полем. С другой — показывает выраженный пьезоэффект (деформацию при приложении напряжения) и электрически переключаемые домены, что характерно для сегнетоэлектриков.

Сканирующая трансмиссионная электронная микроскопия выявила атомарно резкие, протяжённые (в микрометры) стенки доменов — переходные границы, на которых оба порядка неразрывно переплетены.

Практический потенциал

Антисегнетоэлектрики давно привлекают внимание исследователей как перспективные материалы для нескольких задач:

Накопители энергии с высокой плотностью. Двойная петля гистерезиса позволяет антисегнетоэлектрикам хранить больше энергии, чем обычные конденсаторы, — при этом отдавая её быстро, что важно для импульсных систем.

Твердотельное охлаждение. Электрокалорический эффект в антисегнетоэлектриках — изменение температуры при приложении электрического поля — может лечь в основу холодильников без хладагентов.

Новые вычислительные архитектуры. Переключаемые полярные состояния могут использоваться в нейроморфных и ферроэлектрических устройствах памяти.

Гибридный материал, описанный в новой работе, потенциально сочетает преимущества обоих типов — широкое рабочее окно переключения антисегнетоэлектрика с быстрой откликаемостью пьезосегнетоэлектрика. Практическое использование требует дополнительных исследований стабильности и масштабируемости, но принципиальное существование таких гибридных доменных структур уже расширяет поле возможного в материаловедении.

Читайте также по теме: новых материалах для энергетики и электроники.