Materiaalingenieurs zien niet graag lijndefecten in functionele materialen.

De structurele gebreken langs een eendimensionale lijn van atomen verslechteren over het algemeen de prestaties van elektrische materialen. Dus, als een onderzoekspaper vandaag gepubliceerd door het tijdschrift Wetenschap rapporten, deze lineaire defecten, of dislocaties, "worden meestal koste wat het kost vermeden."

Maar soms, een team van onderzoekers uit Europa, Iowa State University en het Ames Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie rapporteren in dat artikel, het construeren van die defecten in sommige oxidekristallen kan de elektrische prestaties zelfs verhogen.

Het onderzoeksteam - onder leiding van Jürgen Rödel en Jurij Koruza van de Technische Universiteit van Darmstadt in Duitsland - ontdekte dat bepaalde defecten significante verbeteringen opleveren in twee belangrijke metingen van elektrische prestaties in bariumtitanaat, een kristallijn keramisch materiaal.

"Door deze gebreken in het materiaal aan te brengen, we kunnen veranderen, de functionele eigenschappen van het materiaal wijzigen of verbeteren, " zei Xiaoli Tan, een Iowa State hoogleraar materiaalwetenschap en techniek en een lange tijd onderzoeksmedewerker met Rödel.

In dit geval, de technische defecten leidden tot een vijfvoudige toename van diëlektrische eigenschappen (die de stroomstroom beperken) en een 19-voudige toename van piëzo-elektrische eigenschappen (die intern een elektrisch veld genereren wanneer ze worden blootgesteld aan mechanische spanning), zei Tan.

Speciaal gereedschap voor speciale metingen

Naast Tan, twee andere Iowa State-onderzoekers hielpen het internationale onderzoeksteam van het project bij het onderzoeken van fundamentele materiaalvragen:Lin Zhou, een wetenschapper in materiaalkunde en techniek en het Ames Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie; en Binzhi Liu, een doctoraatsstudent in materiaalkunde en techniek.

Met steun van de National Science Foundation, de drie droegen hun expertise in transmissie-elektronenmicroscopie bij - technologie die de structuren en kenmerken van materialen kan tonen door een elektronenstraal door dunne monsters te schieten en een beeld op te nemen. De afbeeldingen hebben een veel hogere resolutie dan lichtmicroscopie en kunnen fijne details tot op de schaal van individuele atomen weergeven.

De sleutel tot het project was de Sensitive Instrument Facility van het Ames Laboratory, gebouwd in samenwerking met de staat Iowa. Het gebouw werd gebouwd in 2015 met bijna $ 10 miljoen van het ministerie van Energie. Het biedt een omgeving zonder trillingen en statische elektriciteit voor elektronenmicroscopie met de hoogst mogelijke resoluties.

"Het is een ultramoderne elektronenmicroscopiefaciliteit, "Zei Zhou. "Het biedt een ultrastabiele omgeving, zodat we beelden op atoomniveau van materiaal kunnen maken en tegelijkertijd chemische informatie kunnen verkrijgen.

"Het is een geweldig platform voor onderzoek en het opleiden van de volgende generatie materiaalwetenschappers."

Een beter materiaal voor condensatoren?

Voor dit project, het elektronenmicroscopieteam kwantificeerde het bewijs dat lijndefecten in een kristallijn materiaal de elektrische prestaties kunnen verbeteren, zei Liu.

De cijfers toonden aan dat "de dislocaties het gedrag van andere fijne kenmerken in het materiaal aanzienlijk kunnen veranderen, ' zei Liu.

Tan zei dat de bevinding grote gevolgen kan hebben voor de elektrische condensatorindustrie.

Er zijn honderden condensatoren in uw mobiele telefoon en de markt daarvoor is enorm, zei Tan. Het in dit project geteste keramische materiaal is veel gebruikt in condensatoren, maar de door defecten veroorzaakte boost in elektrische prestaties zou het beter kunnen maken. Het is ook loodvrij en minder giftig dan andere materiaalopties.

En dus, de onderzoekers schreven, deze gemanipuleerde lijndefecten kunnen veranderen in "een andere reeks hulpmiddelen om functionele materialen aan te passen." En dit "functioneel oogsten" zou goed kunnen zijn voor onze elektronica, en zelfs ons milieu en onze gezondheid.