Ученые из Арканзасского университета провели теоретические исследования свойств сегнетоэлектрических частиц (BaTiO₃) нанометрового размера и установили, что, вопреки распространенному мнению, в таких частицах существуют значительные искажения кристаллической решетки, которыми обусловлены сегнетоэлектрические эффекты. Результаты исследований дают надежду на резкое повышение плотности записи информации в сегнетоэлектрических запоминающих устройствах.

Сегнетоэлектрик - это диэлектрик или полупроводник, обладающий в определенном диапазоне температур спонтанной поляризацией. При понижении температуры в сегнетоэлектрике происходит фазовый переход, связанный с искажением кристаллической структуры, что и приводит к появлению спонтанной поляризации. В большинстве случаев искажение кристаллической структуры имеет такой же характер, как и при воздействии на кристалл электрического поля. Спонтанная поляризация сегнетоэлектрика легко изменяется под влиянием внешних воздействий, в частности, при приложении электрического поля, что и используется для для создания сегнетоэлектрических запоминающих устройств .

В последние годы методами коллоидной химии были успешно синтезированы наноразмерные частицы BaTiO₃ ("квантовые точки" и "квантовые проволоки" в диэлектрической матрице). Использование сегнетоэлектрических наночастиц в качестве базовых элементов (битов) энергонезависимых запоминающих устройств в принципе может обеспечить рост плотности записи информации на несколько порядков. Вопрос, однако, в том, насколько сильно отличаются свойства наночастиц от свойств объемных сегнетоэлектриков. Ряд экспериментов по исследованию свойств наночастиц показывал полное отсутствие спонтанной поляризации, о том же говорили и теоретические исследования свойств ультратонких сегнетоэлектрических пленок. Поэтому сформировалось мнение, что существует критический размер наночастиц, по достижении которого существование искажений кристаллической решетки становится невыгодным и, таким образом, наночастицы с размером меньше критического не проявляют сегнетоэлектрических свойств.

Рис.1. Картина расположения локальных диполей в кубической частице (ребро куба - 4.8 нм, сечение вблизи середины перпендикулярного к плоскости рисунка ребра) BaTiO3 в отсутствии (a) и в присутствии (b,c) внешнего электрического поля (в случае c напряженность поля в два раза больше, чем в случае b).

Ученые из Арканзасского университета провели расчетые свойств наночастиц BaTiO₃ из первых принципов. Форма наночастиц задавалась в виде куба (больших отличий в случае выбора сферической формы модельных частиц не было) или нанопроволоки квадратного сечения. Большое внимание было уделено учету поверхностных эффектов, которые имеют существенное значение для наночастиц. Как показали расчеты, даже для самых малых из исследуемых частиц ("кубиков" с длиной стороны 1.6 нм) имеют место значительные смещения атомов из положения равновесия. Тем не менее, согласно расчетам американских ученых, макроспопической поляризации в отсутствие поля в случае малых частиц наблюдаться не должно - в отличие от случая объемных материалов локальные электрические диполи ориентированы так, что результирующая поляризация равна нулю (рис.1,a). С помощью внешнего электрического поля диполи, естественно, можно "выстроить" в одном направлении (рис.1 b,c).

Таким образом, проведенные учеными из Арканзаса исследования свойств сегнетоэлектрических наночастиц в зависимости от их размера (в присутствии и отсутствии внешнего электрического поля) показывают, что сегнетоэлектрические наночастицы в диэлектрических матрицах представляют собой подходящий объект для создания запоминающих устройств с высокой плотностью записи информации.

1. Huaxiang Fu and L.Bellaiche. Phys.Rev.Lett., v.91, 257601 (2003).

Е.Онищенко