Een team van onderzoekers heeft voor het eerst de unieke microstructuur van een nieuw ferro-elektrisch materiaal waargenomen en gerapporteerd, waardoor de ontwikkeling mogelijk is van loodvrije piëzo-elektrische materialen voor elektronica, sensoren en energieopslag die veiliger zijn voor menselijk gebruik. Dit werk werd geleid door de Alem Group in Penn State en in samenwerking met onderzoeksteams van de Rutgers University en de University of California, Merced.

Ferro-elektrische materialen zijn een klasse van materialen die een spontane elektrische polarisatie vertonen wanneer een externe elektrische lading wordt toegepast. Dit veroorzaakt een spontane elektrische polarisatie wanneer positieve en negatieve ladingen in de materialen naar verschillende polen gaan. Deze materialen hebben ook piëzo-elektrische eigenschappen, wat betekent dat het materiaal een elektrische lading genereert onder een uitgeoefende mechanische kracht.

Hierdoor kunnen deze materialen elektriciteit maken uit energie zoals warmte, beweging of zelfs geluid dat anders verloren zou gaan. Daarom bieden ze mogelijkheden voor alternatieven voor op koolstof gebaseerde energie, zoals het oogsten van energie uit afvalwarmte. Bovendien zijn ferro-elektrische materialen vooral nuttig voor gegevensopslag en geheugen, omdat ze in één gepolariseerde toestand kunnen blijven zonder extra vermogen, wat ze aantrekkelijk maakt voor energiebesparende gegevensopslag en elektronica. Ze worden ook veel gebruikt in nuttige toepassingen zoals schakelaars, belangrijke medische apparaten zoals hartslagmeters en echografieën, energieopslag en actuatoren.

De sterkste piëzo-elektrische materialen bevatten echter lood, wat een groot probleem is, aangezien lood giftig is voor mens en dier.

"We zouden graag een piëzo-elektrisch materiaal ontwerpen dat niet de nadelen van de huidige materialen heeft", zegt Nasim Alem, universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering aan Penn State en de corresponderende auteur van het onderzoek. "En op dit moment is lood in al deze materialen een groot nadeel omdat het gevaarlijk is. We hopen dat onze studie kan resulteren in een geschikte kandidaat voor een beter piëzo-elektrisch systeem."

Om een ​​route te ontwikkelen naar zo'n loodvrij materiaal met sterke piëzo-elektrische eigenschappen, werkte het onderzoeksteam met calciummanganaat, Ca₃ Mn₂ O₇ (GMO). CMO is een nieuw hybride oneigenlijk ferro-elektrisch materiaal met een aantal interessante eigenschappen.

"Het ontwerpprincipe van dit materiaal is het combineren van de beweging van de kleine zuurstofoctaëders van het materiaal", zegt Leixin Miao, promovendus in materiaalkunde en eerste auteur van de studie in Nature Communications . "In het materiaal bevinden zich octaëders van zuurstofatomen die kunnen kantelen en roteren. De term 'hybride onjuiste ferro-elektrische' betekent dat we de rotatie en de kanteling van de octaëders combineren om ferro-elektriciteit te produceren. Het wordt als een 'hybride' beschouwd omdat het de combinatie van twee bewegingen van de octaëders die die polarisatie voor ferro-elektriciteit genereren. Het wordt beschouwd als een 'onjuiste' ferro-elektriciteit omdat de polarisatie wordt gegenereerd als een secundair effect. "

Er is ook een uniek kenmerk van de microstructuur van CMO dat voor onderzoekers een mysterie is.

"Bij kamertemperatuur zijn er enkele polaire en niet-polaire fasen die naast elkaar bestaan ​​bij kamertemperatuur in het kristal," zei Miao. "En van die naast elkaar bestaande fasen wordt aangenomen dat ze gecorreleerd zijn met negatief thermisch uitzettingsgedrag. Het is algemeen bekend dat een materiaal normaal gesproken uitzet bij verhitting, maar dit krimpt. Dat is interessant, maar we weten heel weinig over de structuur, zoals hoe de polaire en niet-polaire fasen bestaan ​​naast elkaar."

Om dit beter te begrijpen, gebruikten de onderzoekers transmissie-elektronenmicroscopie op atomaire schaal.

"Waarom we elektronenmicroscopie hebben gebruikt, is omdat we met elektronenmicroscopie sondes op atomaire schaal kunnen gebruiken om de exacte atomaire rangschikking in de structuur te zien," zei Miao. "En het was zeer verrassend om de dubbele dubbellaagse polaire nanoregio's in de CMO-kristallen te observeren. Voor zover wij weten, is het de eerste keer dat een dergelijke microstructuur rechtstreeks in de gelaagde perovskietmaterialen werd afgebeeld."

Eerder werd volgens de onderzoekers nooit waargenomen wat er gebeurt met een materiaal dat zo'n ferro-elektrische faseovergang doormaakt. Maar met elektronenmicroscopie konden ze het materiaal en wat er gebeurde tijdens de faseovergang volgen.

"We hebben het materiaal gevolgd, wat er gaande is tijdens de faseovergang, en konden atoom voor atoom onderzoeken welk type binding we hebben, wat voor soort structurele vervormingen we in het materiaal hebben, en hoe dat kan veranderen als een functie van temperatuur," zei Alem. "En dit verklaart in hoge mate enkele van de waarnemingen die mensen met dit materiaal hebben gehad. Als ze bijvoorbeeld de thermische uitzettingscoëfficiënt krijgen, weet niemand echt waar dit vandaan komt. In feite ging dit naar het atomaire niveau en het begrijpen van de onderliggende fysica, chemie op atomaire schaal en ook de dynamiek van de faseovergang, hoe deze verandert."

Dit zou op zijn beurt de ontwikkeling van loodvrije, krachtige piëzo-elektrische materialen mogelijk maken.

"Wetenschappers hebben geprobeerd nieuwe wegen te vinden om loodvrije ferro-elektrische materialen te ontdekken voor veel nuttige toepassingen", zei Miao. "Het bestaan ​​van de polaire nanoregio's wordt beschouwd als gunstig voor de piëzo-elektrische eigenschappen, en nu hebben we aangetoond dat we via defecte engineering mogelijk nieuwe sterke piëzo-elektrische kristallen kunnen ontwerpen die uiteindelijk alle loodhoudende materialen voor ultrasone of actuatortoepassingen zouden vervangen."

Het karakteriseringswerk dat deze nooit eerder vertoonde processen in het materiaal aan het licht bracht, werd uitgevoerd in de faciliteiten van het Materials Research Institute in het Millennium Science Complex. Dit omvatte experimenten met meerdere transmissie-elektronenmicroscopen (TEM) waarmee het nooit eerder vertoonde kon worden gezien.

Een ander voordeel van het onderzoek was de gratis software ontwikkeld door het onderzoeksteam, EASY-STEM, die de verwerking van TEM-beeldgegevens gemakkelijker maakt. Dit kan mogelijk de tijd verkorten die nodig is om wetenschappelijk onderzoek vooruit te helpen en naar praktische toepassing te verplaatsen.

"De software heeft een grafische gebruikersinterface waarmee gebruikers met muisklikken kunnen invoeren, dus mensen hoeven geen expert te zijn in coderen, maar kunnen toch verbazingwekkende analyses genereren", zei Miao. + Verder verkennen

Gegevensgestuurde ontdekking van NbOI2 als een hoogwaardig gelaagd piëzo-elektrisch