Een nieuwe familie van materialen die zou kunnen resulteren in verbeterde digitale informatieopslag en minder energie verbruikt, is mogelijk mogelijk dankzij een team van Penn State-onderzoekers die ferro-elektriciteit in magnesium-gesubstitueerd zinkoxide hebben aangetoond.

Ferro-elektrische materialen zijn spontaan elektrisch gepolariseerd omdat negatieve en positieve ladingen in het materiaal naar tegenovergestelde kanten neigen en met de toepassing van een extern elektrisch veld heroriënteren. Ze kunnen worden beïnvloed door fysieke kracht, daarom zijn ze handig voor ontstekers met drukknoppen, zoals die in gasgrills. Ze kunnen ook worden gebruikt voor gegevensopslag en geheugen, omdat ze in één gepolariseerde toestand blijven zonder extra vermogen en dat geldt ook voor energiezuinige digitale opslagoplossingen.

"We hebben een nieuwe familie van materialen geïdentificeerd waaruit we kleine condensatoren kunnen maken en we kunnen hun polarisatieoriëntatie zo instellen dat hun oppervlaktelading plus of min is, " zei Jon-Paul Maria, Penn State hoogleraar materiaalkunde en techniek, en co-auteur van het artikel gepubliceerd in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde . "Die instelling is niet-vluchtig, wat betekent dat we de condensator op plus kunnen zetten, en het blijft plus, we kunnen het op min zetten, het blijft min. En dan kunnen we terugkomen en vaststellen hoe we die condensator hebben ingesteld, bij zeg, een uur geleden."

Deze mogelijkheid kan een vorm van digitale opslag mogelijk maken die niet zoveel elektriciteit gebruikt als andere vormen.

"Dit type opslag vereist geen extra energie, "Zei Maria. "En dat is belangrijk omdat veel van de computergeheugens die we tegenwoordig gebruiken, extra elektriciteit nodig hebben om de informatie vast te houden, en we gebruiken een aanzienlijk deel van het Amerikaanse energiebudget voor informatie."

De nieuwe materialen zijn gemaakt met magnesium-gesubstitueerde dunne zinkoxide-films. De film werd gekweekt via sputterafzetting, een proces waarbij argonionen worden versneld naar de doelmaterialen, het beïnvloeden met een voldoende hoge energie om atomen te bevrijden van het doelwit dat magnesium en zink bevat. De vrijgekomen magnesium- en zinkatomen reizen in een dampfase totdat ze reageren met zuurstof en zich verzamelen op een met platina gecoat aluminiumoxidesubstraat en de dunne films vormen.

Onderzoekers hebben magnesium-gesubstitueerd zinkoxide bestudeerd als een methode om de bandafstand van zinkoxide te vergroten, een belangrijk materiaalkenmerk dat belangrijk is voor het maken van halfgeleiders. Echter, het materiaal is nooit onderzocht op ferro-elektriciteit. Niettemin, de onderzoekers geloofden dat het materiaal ferro-elektrisch gemaakt kon worden, gebaseerd op een idee van "ferro-elektriciteit overal" geponeerd door Maria en Susan Trolier-McKinstry, Evan Pugh universiteitshoogleraar, Steward S. Flaschen Hoogleraar Keramische Wetenschappen en Techniek, en co-auteur van het papier.

"In het algemeen, ferro-elektriciteit komt vaak voor in mineralen die ingewikkeld zijn vanuit een structuur- en scheikundig oogpunt, "Zei Maria. "En ons team stelde het idee ongeveer twee jaar geleden voor, dat er andere eenvoudigere kristallen zijn waarin dit nuttige fenomeen kan worden geïdentificeerd, omdat er enkele aanwijzingen waren die ons deze mogelijkheid deden voorstellen. Om te zeggen 'ferro-elektriciteit overal' is een beetje een woordspeling, maar het geeft het idee weer dat er materialen om ons heen waren die ons hints gaven, en we negeerden die hints voor een lange tijd."

De onderzoekscarrière van Trolier-McKinstry was gericht op ferro-elektriciteit, inclusief de zoektocht naar betere ferro-elektrische materialen met andere eigenschappen. Ze merkte op dat de Universiteit van Kiel in Duitsland de allereerste van dit verrassende type ferro-elektrische materialen in 2019 had gevonden in nitriden, maar dat zij en Maria vergelijkbaar gedrag hebben vertoond in een oxide.

Een deel van het proces dat Trolier-McKinstry en Maria's groep volgden, is het ontwikkelen van een verdienste, een hoeveelheid die wordt gebruikt in wetenschappen zoals analytische chemie en materiaalonderzoek die de prestaties van een apparaat kenmerkt, materiaal of methode ten opzichte van alternatieven.

"Als we kijken naar elke toepassing voor materiaal, we bedenken vaak een verdienste die aangeeft welke combinatie van materiaaleigenschappen we nodig hebben voor een bepaalde toepassing om deze zo effectief mogelijk te maken, "zei Trolier-McKinstry. "En deze nieuwe familie van ferro-elektriciteit, het geeft ons hele nieuwe mogelijkheden voor die cijfers van verdienste. Het is erg aantrekkelijk voor toepassingen waarvoor we in het verleden geen geweldige materialensets hadden, dus dit soort nieuwe materiaalontwikkeling leidt vaak tot nieuwe toepassingen."

Een bijkomend voordeel van de magnesium-gesubstitueerde dunne films van zinkoxide is dat ze bij veel lagere temperaturen kunnen worden afgezet dan andere ferro-elektrische materialen.

"De overgrote meerderheid van elektronische materialen wordt geprepareerd met behulp van hoge temperaturen, en hoge temperaturen betekent overal van 300 tot 1000 graden Celsius (572 tot 1835 graden Fahrenheit), " zei Maria. "Als je materialen maakt bij verhoogde temperaturen, het gaat gepaard met veel moeilijkheden. Het zijn meestal technische problemen, maar toch maken ze alles uitdagender. Bedenk dat elke condensator twee elektrische contacten nodig heeft - als ik mijn ferro-elektrische laag bij hoge temperaturen voorbereid op ten minste één van deze contacten, op een gegeven moment zal er een ongewenste chemische reactie optreden. Dus, als je dingen bij lage temperaturen kunt maken, je kunt ze veel gemakkelijker integreren."

De volgende stap voor de nieuwe materialen is om er condensatoren van te maken die ongeveer 10 nanometer dik en 20 tot 30 nanometer lateraal zijn. wat een moeilijke technische uitdaging is. De onderzoekers moeten een manier vinden om de groei van de materialen te beheersen, zodat er geen problemen zijn zoals onvolkomenheden in de materialen. Trolier-McKinstry zei dat het oplossen van deze problemen cruciaal zal zijn om te bepalen of deze materialen bruikbaar zijn in nieuwe technologieën:mobiele telefoons met chips die veel minder energie verbruiken, waardoor een aanhoudende werking gedurende een week of langer mogelijk is.

"Bij het ontwikkelen van nieuwe materialen, je moet uitzoeken hoe ze falen, en vervolgens begrijpen hoe deze faalmechanismen kunnen worden beperkt, "Zei Trolier-McKinstry. "En voor elke afzonderlijke toepassing, je moet beslissen wat de essentiële eigenschappen zijn, en hoe zullen ze in de loop van de tijd evolueren. En totdat je daar wat metingen van hebt gedaan, je weet niet wat de grote uitdagingen zullen zijn, en de betrouwbaarheid en maakbaarheid zijn enorm in termen van of dit materiaal over vijf jaar in je mobiele telefoon belandt."