Wetenschappers hebben het bereik van functionele temperaturen voor ferro-elektriciteit aanzienlijk uitgebreid, een belangrijk materiaal dat wordt gebruikt in een verscheidenheid aan alledaagse toepassingen, door de allereerste polarisatiegradiënt in een dunne film te creëren.

de prestatie, gemeld 10 mei in Natuurcommunicatie door onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab), maakt de weg vrij voor de ontwikkeling van apparaten die draadloze communicatie in extreme omgevingen kunnen ondersteunen, van binnen kernreactoren naar de poolgebieden van de aarde.

Ferro-elektrische materialen worden gewaardeerd vanwege hun spontane polarisatie die omkeerbaar is door een aangelegd elektrisch veld en vanwege het vermogen om elektrische ladingen te produceren als reactie op fysieke druk. Ze kunnen functioneren als condensatoren, omvormers, en oscillatoren, en ze zijn te vinden in toepassingen zoals transitkaarten, echografie, en drukknop ontstekingssystemen.

Wetenschappers van Berkeley Lab creëerden een spanning en chemische gradiënt in een 150 nanometer dunne film van barium-strontiumtitanaat, een veelgebruikt ferro-elektrisch materiaal. De onderzoekers waren in staat om de kleine atomaire verplaatsingen in het materiaal direct te meten met behulp van geavanceerde geavanceerde microscopie in Berkeley Lab, het vinden van gradiënten in de polarisatie. De polarisatie varieerde van 0 tot 35 microcoulomb per vierkante centimeter over de dikte van het dunnefilmmateriaal.

Voorspellingen uit het leerboek weggooien

"Traditionele natuurkunde en technische leerboeken zouden deze observatie niet hebben voorspeld, " zei hoofdonderzoeker Lane Martin, faculteitswetenschapper bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en UC Berkeley universitair hoofddocent materialen en engineering. "Het creëren van gradiënten in materialen kost veel energie - Moeder Natuur houdt er niet van - en het materiaal werkt om dergelijke onevenwichtigheden op welke manier dan ook te nivelleren. Om een ​​grote gradiënt zoals die we hier hebben te laten plaatsvinden, we hadden iets anders in het materiaal nodig om deze ongunstige structuur te compenseren. In dit geval, de sleutel is de natuurlijk voorkomende defecten van het materiaal, zoals ladingen en lege atomen, die de onbalans opvangen en de gradiënt in polarisatie stabiliseren."

Het creëren van een polarisatiegradiënt had het gunstige effect van het uitbreiden van het temperatuurbereik voor optimale prestaties door het ferro-elektrische materiaal. De functie van bariumtitanaat is sterk temperatuurafhankelijk met relatief kleine effecten in de buurt van kamertemperatuur en een grote, scherpe piek in respons rond de 120 graden Celsius. Dit maakt het moeilijk om goed gecontroleerde, betrouwbare functie aangezien de temperatuur buiten een vrij smal venster varieert. Om het materiaal aan te passen voor toepassingen bij en rond kamertemperatuur, ingenieurs stemmen de chemie van het materiaal af, maar het temperatuurbereik waar de materialen bruikbaar zijn, blijft relatief smal.

"Het nieuwe polarisatieprofiel dat we hebben gecreëerd, geeft aanleiding tot een bijna temperatuurongevoelige diëlektrische respons, wat niet gebruikelijk is in ferro-elektrische materialen, " zei Martin. "Door een gradiënt in de polarisatie te maken, het ferro-elektrische werkt tegelijkertijd als een reeks of continuüm van materialen, geeft ons hoogwaardige resultaten over een venster van 500 graden Celsius. In vergelijking, standaard, kant-en-klare materialen zouden tegenwoordig dezelfde reacties geven over een veel kleiner venster van 50 graden Celsius."

Naast de voor de hand liggende uitbreidingen naar warmere en koudere omgevingen, de onderzoekers merkten op dat dit grotere temperatuurbereik het aantal benodigde componenten in elektronische apparaten zou kunnen verkleinen en mogelijk het stroomverbruik van draadloze telefoons zou kunnen verminderen.

"De smartphone die ik nu in mijn hand heb, heeft diëlektrische resonatoren, faseverschuivers, oscillatoren - meer dan 200 elementen in totaal - gebaseerd op vergelijkbare materialen als wat we in dit artikel hebben bestudeerd, "zei Martin. "Ongeveer 45 van die elementen zijn nodig om de signalen die van en naar je mobiele telefoon komen te filteren om er zeker van te zijn dat je een duidelijk signaal hebt. Dat is een enorme hoeveelheid onroerend goed om aan één functie te besteden."

Omdat veranderingen in temperatuur de resonantie van de ferro-elektrische materialen veranderen, er worden voortdurend aanpassingen gedaan om de materialen af ​​te stemmen op de golflengte van de signalen die door zendmasten worden verzonden. Er is stroom nodig om het signaal af te stemmen, en hoe meer uit de toon valt, hoe meer stroom de telefoon nodig heeft om een ​​duidelijk signaal voor de beller te krijgen. Een materiaal met een polarisatiegradiënt dat in staat is om bij hoge temperaturen te werken, zou het vermogen kunnen verminderen dat nodig is om het signaal af te stemmen.

Snellere detectoren maken nieuwe beeldvormingstechnieken mogelijk

Het begrijpen van de polarisatiegradiënt bracht het gebruik van epitaxiale spanning met zich mee, een strategie waarbij een kristallijne bovenlaag op een substraat wordt gekweekt, maar met een mismatch in de roosterstructuur. Deze spanningstechniek, vaak gebruikt in de productie van halfgeleiders, helpt de structuur te beheersen en de prestaties in materialen te verbeteren.

Recente ontwikkelingen in elektronenmicroscopie hebben onderzoekers in staat gesteld structurele gegevens op atomaire schaal te verkrijgen van het gespannen barium-strontiumtitanaat, en om de rek- en polarisatiegradiënt direct te meten.

"We hebben een manier gevonden om nanobeam scanning diffractie te gebruiken om diffractiepatronen van elk punt vast te leggen, en analyseer daarna de datasets voor rek- en polarisatiegegevens, " zei co-auteur van de studie Andrew Minor, directeur van het National Center for Electron Microscopy in de Molecular Foundry van Berkeley Lab, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. "Dit soort kaarten, pionierde bij Berkeley Lab, is zowel nieuw als zeer krachtig."

Een andere belangrijke factor was de snelheid van de detector, Minor toegevoegd. Voor dit papier gegevens werden verkregen met een snelheid van 400 frames per seconde, een orde van grootte sneller dan de 30 frames per seconde van slechts een paar jaar geleden. Deze techniek is nu beschikbaar voor gebruikers van de Foundry.

"We zien een revolutie in microscopie met betrekking tot het gebruik van directe elektronendetectoren die veel onderzoeksgebieden verandert, " zei Minor, die ook een aanstelling heeft als UC Berkeley-hoogleraar materiaalwetenschap en -techniek. "We kunnen dingen zowel zien als meten op een schaal die tot voor kort moeilijk voor te stellen was."