Een vleugje goud - of een ander edelmetaal - kan de structuur van een kristal en zijn intrinsieke eigenschappen veranderen, natuurkundigen van de Universiteit van Warwick hebben gedemonstreerd in een weergave van moderne alchemie.

Wetenschappers van de Universiteit van Warwick hebben een manier gevonden om elektrische effecten in kristallen op te wekken waartoe ze voorheen niet in staat waren. zoals het omzetten van beweging of warmte in elektriciteit, gewoon door een stuk metaal aan hun oppervlak toe te voegen.

Hun methode wordt gedetailleerd beschreven in een nieuw artikel dat vandaag is gepubliceerd in Natuur en toont aan dat de effecten groter kunnen zijn dan conventioneel bestudeerde volumineuze materialen, waardoor het ideaal is voor gebruik in technologieën zoals sensoren, energieconversie en mobiele technologieën.

De sleutel tot de techniek is het doorbreken van de symmetrie van de kristalstructuur. Een kristal kan worden gemaakt van een aantal verschillende atomen, maar de term beschrijft een geordende structuur van deeltjes die een symmetrisch patroon vormen.

Professor Marin Alexe, co-hoofdauteur van de afdeling Natuurkunde aan de Universiteit van Warwick, zei:"In de natuurkunde, die materialen zijn nogal saai. Vanuit het oogpunt van functionaliteit, symmetrie is niet het beste wat je wilt hebben. Je wilt de symmetrie zo doorbreken dat je nieuwe effecten krijgt."

Het kristal kan functioneren als een halfgeleider, waardoor er een elektrische stroom doorheen kan vloeien. Door een klein stukje metaal aan het kristaloppervlak toe te voegen, de wetenschappers creëerden een knooppunt dat bekend staat als een Schottky-knooppunt. Dit induceert een elektrisch veld in de halfgeleider dat de halfgeleiderstructuur onder het metaal prikkelt, het doorbreken van de symmetrie en het mogelijk maken van nieuwe effecten die voorheen niet mogelijk waren.

De effecten die onderzoekers observeerden, waren onder meer een piëzo-elektrisch effect, waarbij beweging wordt omgezet in elektrische energie of omgekeerd; en een pyro-elektrisch effect, waar warmte wordt omgezet in elektrische energie. Deze eigenschappen staan ​​bekend als interface-effecten en zijn beperkt tot een zeer ondiep gebied van het kristal, onder de metalen.

Dr. Mingmin Yang, die het werk uitvoerde aan de Universiteit van Warwick en sindsdien is verhuisd naar het RIKEN-instituut in Japan, zei:"Over het algemeen de eigenschappen van deze kristallen worden bepaald door twee factoren:de intrinsieke eigenschappen van de elementen waaruit het kristal bestaat, en hoe die elementen zijn gerangschikt om dat kristal te vormen, die we de symmetrie ervan noemen.

"Ons onderzoek toont aan dat hoe die elementen zijn gerangschikt niet alleen wordt bepaald door hun eigen aard, ze kunnen ook worden afgestemd door externe invloeden. Zodra we die invloed gebruiken om hun opstelling te veranderen, ze kunnen eigenschappen vertonen die hen eerder verboden waren. "

De onderzoekers gebruikten de edele metalen goud en platina om hun knooppunt te creëren vanwege hun hoge thermodynamische werkfunctie, maar koper, zilver, goud, iridium of platina zouden ook goede opties zijn. Voor de kristallen Strontiumtitanaat, Titaandioxide en silicium werden gebruikt. Geen van deze materialen zou normaal gesproken een piëzo-elektrisch of pyro-elektrisch effect vertonen.

Zodra de materialen het piëzo-elektrische of pyro-elektrische effect hebben, ze kunnen elektriciteit afgeven wanneer ze kracht ervaren (in het geval van piëzo-elektrisch effect) of een temperatuurverandering (in het geval van het pyro-elektrische effect). Door eventuele in de materialen opgewekte elektriciteit te detecteren, konden de wetenschappers het bestaan ​​van deze effecten bevestigen.

De waargenomen effecten geven de techniek een groot potentieel voor gebruik in sensoren, die een hoge gevoeligheid vereisen, of in technologieën die afhankelijk zijn van energieconversie. Als een piëzo-elektrisch effect, de kristallen kunnen energie oogsten, of werken als een actuator of transducer. Met het pyro-elektrische effect, ze kunnen werken als een sensor of in infraroodbeeldvorming.

In aanvulling, de kleinschaligheid waarop dit effect wordt waargenomen en de hoge efficiëntie zouden het ideaal maken voor gebruik in mobiele technologieën.

In het vorige werk van het team hebben ze de manieren onderzocht om symmetrie met mechanische middelen te doorbreken. In dit werk werd gekeken naar de mogelijkheid om symmetrie te doorbreken met behulp van een elektrisch veld

Professor Alexe voegde toe:"Materialen met gebroken symmetrie zijn rijk aan functionaliteiten. Om deze functionaliteiten te verbeteren, je moet meestal de materiaalstructuur aanpassen. Dit vereist het inzetten van gecompliceerde vastestofchemie gevolgd door gedetailleerd onderzoek.

"Je hebt nu een heel ander pad om deze materialen te tweaken en de mogelijkheid om het effect af te stemmen, iets wat we nog niet eerder hebben kunnen doen. Dat opent het veld voor vele andere mogelijkheden met deze materialen en we weten misschien niet waar die toe leiden."