Что такое мало и как мало должно быть, чтобы все-еще быть полезным? Исследователи из Университета Северной Каролины (North Carolina State University), США провели анализы тонких пленок ферроэлектриков (сегнетоэлектриков) – материалов, которые используются в электронных устройствах, начиная с памяти компьютеров и заканчивая смартфонами.

Испытывая электрические и поляризационные свойства этих пленок на наноуровне, ученые обнаружили, что на поляризационные характеристики сильно влияют и размер, и расположение. Эти результаты предполагают, что при конструировании очень маленьких электрических изделий следует иметь в виду, что с уменьшением размеров составляющих компонентов появляется реальная возможность уменьшения эффективности изделий.

Ферроэлектрики (или сегнетоэлектрики, как их иногда называют) являются собой твердыми диэлектриками, существенно изменяющими свои свойства при приложении внешнего электрического поля. Пленки ферроэлектриков фактически представляют собой сэндвич – слои материалов располагаются между двумя слоями металлов. Когда внешний электрический заряд прилагается к материалу, заключенному в сэндвич, он поляризуется, образуя электрический диполь с положительным и отрицательным полюсами. Теоретические рассуждения говорят о том, что по мере уменьшения толщины ферроэлектрических пленок, наступает момент, когда материал теряет способность к поляризации.

Физики Университета Северной Каролины определили, что это не совсем так. В результате экспериментов, которые провели адъюнкт-профессор д-р Марко Буонджорно-Нарделли (Dr. Marco Buongiorno-Nardelli) и д-р Матиас Нуньес (Dr. Matías Nuñez), оказалось, что атомы в тонкой пленке сегнетоэлектрика по-прежнему остаются поляризованными, даже на уровне наноразмеров, но что эта поляризация неоднородна и диполь не образуется так, как это имеет место при традиционных размерах. Поляризация становится хаотичной, при этом некоторые атомы принимают положительный заряд, а некоторые – отрицательный, совершенно меняя характеристики материала и способствуя образованию остаточной поляризации. Результаты работы опубликованы в интернет-издании журнала *Physical Review Letters 101, 107603, 2008 *(«Onset of Ferrielectricity and the Hidden Nature of Nanoscale Polarization in Ferroelectric Thin Films») и могут быть найдены здесь

Исследователи использовали метод компьютерного моделирования для исследования взаимодействия отдельных атомов друг с другом внутри тонкой пленки.

Основной акцент в работе был сделан на исследовании распределения электронов внутри атомов, поскольку именно распределение электронов определяет, с каким зарядом будет поляризован сегнетоэлектрик – с положительным или отрицательным.

Ученые выяснили, что при толщине сегнетоэлектрического материала порядка 20–30 нм начинается хаотичная дезорганизация в поляризации. По мнению исследователей, предполагаемый механизм взаимодействия, по-видимому, таков: при приближении размеров исследуемого образца к наноуровню, перестают взаимодействовать друг с другом группы атомов – вместо этого взаимодействие осуществляется между самими отдельными атомами. При этом образец теряет свойства сегнетоэлектрика – материала как такового, доминирующими становятся свойства узкого слоя интерфейса, где осуществляются связи на атомарном уровне.

Евгений Биргер