Ученые из Арканзасского университета провели теоретические исследования свойств сегнетоэлектрических наночастиц Pb(Zr,Ti)O₃, показавшие, что в подобных наноразмерных частицах может происходить довольно необычный фазовый переход. С практической точки зрения этот результат важен тем, что дает надежду на возможность резкого повышения плотности записи информации в энергонезависимых запоминающих устройствах на основе сегнетоэлектриков.

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. Спонтанная поляризация сегнетоэлектрика легко изменяется под влиянием внешних воздействий, в частности, при приложении электрического поля. Это свойство сегнетоэлектриков используется для создания энергонезависимых (т.е. информация сохраняется и в случае, когда устройство выключено) запоминающих устройств . Компьютеры, мобильные телефоны, цифровые камеры... - потенциально рынок для сегнетоэлектрической памяти практически необъятен, и потому настоятельной необходимостью является миниатюризация запоминающих устройств на основе сегнетоэлектриков.

В связи со стремлением к повышению плотности записи информации исследование свойств сегнетоэлектрических наноразмерных частиц и плёнок привлекает значительное внимание ученых. Долгое время считалось, что в тонких сегнетоэлектрических плёнках и в наночастицах спонтанная поляризация отсутствует из-за расположенных на поверхности нескомпенсированных зарядов, которые создают деполяризующее поле. Однако совсем недавно было экспериментально показано , что плёнки титаната свинца нанометровой толщины демонстрируют сегнетоэлектрические свойства.

Американские ученые сосредоточили свое внимание на другом типе сегнетоэлектрических наноструктур - "нанодисках" и "наностержнях" (характерные размеры таких наночаcтиц - несколько нанометров, синтезировать их можно методами коллоидной химии). Они провели теоретическое рассмотрение свойств наночастиц из твердого раствора PbZr_0.5Ti_0.5O₃, и получили довольно интересные результаты [1]. Как показало моделирование, наночастицы действительно не должны обладать спонтанной поляризацией даже при малых температурах, однако фазовый переход все же имеет место. При температуре ниже определенной, критической, температуры (она достаточно высока - более 500 K) происходит упорядочение локальных электрических диполей - они выстраиваются "по кругу " (рис.1) и, в результате, наночастица обладает ненулевым тороидным моментом.

Рис.1. Кривые показывают вклад в суммарный тороидный момент от каждого монослоя для частицы толщиной 14 монослоев при температурах 64 K и 768 K, на вставке показана картина ориентации локальных диполей в таком нанодиске.

"Нанодиски" характеризуются двумя устойчивыми состояниями - когда дипольные моменты ориентированы по часовой стрелке или против часовой стрелки. Такая бистабильность дает возможность создавать запоминающие устройства на основе наночастиц, приписывая одному из состояний значение "0", другому - "1". То, что поляризация наночастицы как целого отсутствует, существенно облегчает задачу увеличения плотности записи. Ведь, поскольку достаточно большое электрическое поле за пределами наночастицы отсутствует, не приходится опасаться неконтролируемого взаимодействия достаточно близко расположенных наночастиц посредством электрического поля. Более того, для переключения состояния наночастицы-бита из одного состояния в другое можно применять переменное магнитное поле, а это не требует нанесения контактных электродов, которые необходимы в существующих сегнетоэлектрических запоминающих устройствах (в них переключение состояния бита с помощью приложения статического электрического поля).

Результаты американских ученых дают надежду на резкое повышение плотности записи информации. В пределе, который все же вряд ли будет достигнут, плотность записи в запоминающих устройствах на основе сегнетоэлектрических наночастиц может достичь 60 x 10¹² бит на квадратный дюйм. Это примерно на пять порядков выше, чем достигнуто в лучших существующих образцах (0.2 Гбит на квадратный дюйм).

1. Ivan I.Naumov, L.Bellaiche and Huaxiang Fu. Nature, v.432, 737 (2004).

Е.Онищенко