Bulk ferroelectrics undergo structural phase transformations at low temperatures, giving multi-stable (that is, multiple-minimum) degenerate states with spontaneous polarization. Accessing these states by applying, and varying the direction of, an external electric field is a key principle for the operation of devices such as non-volatile ferroelectric random access memories (NFERAMs). Compared with bulk ferroelectrics, low-dimensional finite ferroelectric structures promise to increase the storage density of NFERAMs 10,000-fold. But this anticipated benefit hinges on whether phase transitions and multi-stable states still exist in low-dimensional structures. Previous studies have suggested that phase transitions are impossible in one-dimensional systems, and become increasingly less likely as dimensionality further decreases. Here we perform ab initio studies of ferroelectric nanoscale disks and rods of technologically important Pb(Zr,Ti)O3 solid solutions, and demonstrate the existence of previously unknown phase transitions in zero-dimensional ferroelectric nanoparticles. The minimum diameter of the disks that display low-temperature structural bistability is determined to be 3.2 nm, enabling an ultimate NFERAM density of 60 × 1012 bits per square inch—that is, five orders of magnitude larger than those currently available. Our results suggest an innovative use of ferroelectric nanostructures for data storage, and are of fundamental value for the theory of phase transition in systems of low dimensionality.

中文翻译：

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铁电纳米盘和纳米棒中不寻常的相变

体铁电体在低温下经历结构相变，产生具有自发极化的多重稳定（即多重极小值）简并态。通过施加和改变外部电场的方向来访问这些状态是非易失性铁电随机存取存储器 (NFERAM) 等设备操作的关键原则。与体铁电体相比，低维有限铁电体结构有望将 NFERAM 的存储密度提高 10,000 倍。但这种预期的好处取决于低维结构中是否仍然存在相变和多稳态。先前的研究表明，在一维系统中相变是不可能的，并且随着维数的进一步降低，相变的可能性越来越小。在这里，我们对技术上重要的 Pb(Zr,Ti)O3 固溶体的铁电纳米级圆盘和棒进行了从头算研究，并证明了零维铁电纳米粒子中存在先前未知的相变。显示低温结构双稳态的磁盘的最小直径被确定为 3.2 nm，使最终 NFERAM 密度达到每平方英寸 60 × 1012 位，即比目前可用的大五个数量级。我们的研究结果表明铁电纳米结构用于数据存储的创新用途，并且对于低维系统中的相变理论具有基本价值。并证明在零维铁电纳米粒子中存在先前未知的相变。显示低温结构双稳态的磁盘的最小直径被确定为 3.2 nm，使最终 NFERAM 密度达到每平方英寸 60 × 1012 位，即比目前可用的大五个数量级。我们的研究结果表明铁电纳米结构用于数据存储的创新用途，并且对于低维系统中的相变理论具有基本价值。并证明在零维铁电纳米粒子中存在先前未知的相变。显示低温结构双稳态的磁盘的最小直径被确定为 3.2 nm，使最终 NFERAM 密度达到每平方英寸 60 × 1012 位，即比目前可用的大五个数量级。我们的研究结果表明铁电纳米结构用于数据存储的创新用途，并且对于低维系统中的相变理论具有基本价值。比目前可用的大五个数量级。我们的研究结果表明铁电纳米结构用于数据存储的创新用途，并且对于低维系统中的相变理论具有基本价值。比目前可用的大五个数量级。我们的研究结果表明铁电纳米结构用于数据存储的创新用途，并且对于低维系统中的相变理论具有基本价值。