Stress verbetert de eigenschappen van een veelbelovend materiaal voor toekomstige technologieën.

UNSW-onderzoekers hebben een nieuwe exotische staat gevonden van een van de meest veelbelovende multiferroïsche materialen, met opwindende implicaties voor toekomstige technologieën die deze verbeterde eigenschappen gebruiken.

Door een zorgvuldige balans van dunnefilmspanning te combineren, vervorming en dikte, het team heeft een nieuwe tussenfase gestabiliseerd in een van de weinige bekende multiferroïsche materialen bij kamertemperatuur.

De theoretische en experimentele Amerikaans-Australische studie toont aan dat deze nieuwe fase een elektromechanische waarde heeft die meer dan het dubbele is van de gebruikelijke waarde, en dat we zelfs gemakkelijk kunnen transformeren tussen deze tussenfase naar andere fasen met behulp van een elektrisch veld.

Naast het verstrekken van een waardevolle nieuwe techniek aan de toolkit van alle internationale materiaalwetenschappers die werken met multiferroics en epitaxie, de resultaten werpen eindelijk licht op hoe epitaxiale technieken kunnen worden gebruikt om de functionele respons van materialen te verbeteren voor toekomstige toepassing in apparaten van de volgende generatie.

Stress verandert alles

Als 2020-21 ons iets heeft geleerd, het is dat stress alles verandert. Zelfs de meest "samen" persoon kan worstelen en veranderen als er genoeg stress in zijn leven is.

Hetzelfde geldt voor kristallen, te. Wanneer we stress toepassen op kristallen, ze raken gespannen en kunnen hun structuur en fysieke eigenschappen drastisch veranderen. Spanning die op een materiaal wordt uitgeoefend, duwt gewoonlijk samen of trekt uit elkaar langs (ten minste) één as, het creëren van druk- en trekspanning.

Door dunne films op substraten te spannen, vervormen de bouwstenen van de film om overeen te komen met de afmetingen van de bouwstenen van het aangrenzende substraat. Als de structurele eenheden van het substraat groter zijn dan die van de dunne film (het blauwe vierkant), de film (witte omtreklijn) zal horizontaal uitrekken (d.w.z. "trekspanning") en verticaal samendrukken om te passen.

Anderzijds, een kleinere substraatstructuurcel (groen vierkantje) zal ervoor zorgen dat de filmstructuur horizontaal wordt samengedrukt ("compressieve rek") en verticaal uitgerekt.

"Bij ons onderzoek we hebben anisotrope spanning op onze film toegepast. Dit betekent dat de toegepaste spanning verschilt, afhankelijk van de richting waarin u kijkt, en dit kan gecompliceerde spanningstoestanden creëren die films in nieuwe fasen dwingen, ", zegt eerste auteur Oliver Paull (UNSW).

BiFeO ₃ (of BFO) kan bogen op een indrukwekkend overzicht van multifunctionele panden, inclusief piëzo-elektriciteit, ferro-elektriciteit, magnetisme en optische eigenschappen.

BFO is misschien wel het meest populaire magneto-elektrische materiaal voor onderzoekers (d.w.z. een materiaal dat zowel magnetische als elektrische ordening heeft die elkaar kunnen beïnvloeden).

Magneto-elektrische materialen zijn zeer interessant voor spintronica en geheugentoepassingen, aangezien de koppeling tussen magnetisme en ferro-elektriciteit technologieën met lage energie belooft. (Het schrijven van gegevens met een elektrisch veld is veel efficiënter dan het schrijven met een magnetisch veld.)

BFO is niet alleen magneto-elektrisch, maar het is een van de weinige materialen die magneto-elektrisch is bij kamertemperatuur, waardoor het levensvatbaar is voor gebruik in toepassingen zoals toekomstige energiezuinige elektronica, zonder de noodzaak van energie-intensieve cryokoeling.

Slechts zeer weinig multiferroïsche materialen (d.w.z. materialen die zowel magnetische als elektrische orde hebben) vertonen deze nuttige eigenschappen bij kamertemperatuur.

Naast dit, BFO heeft andere functionele eigenschappen:piëzo-elektriciteit, ferro-elektriciteit, fotovoltaïsche effecten, en meer. Het is ook loodvrij, waardoor het een duidelijk voordeel heeft ten opzichte van de meeste hoogwaardige piëzo-elektrische materialen, die helaas giftig lood bevatten.

piëzo-elektrische materialen, die mechanische druk kan omzetten in elektrische energie, hebben brede toepassingen als ultragevoelige sensoren in apparaten zoals bewegingssensoren voor smartphones en pacemakers (waar het vermijden van giftige materialen een voordeel is).

Door zeer verkeerd gesneden substraten te gebruiken, het onderzoeksteam duwde BFO in een nieuwe fase die in wezen de link is tussen de bekende rhombohedral-achtige en tetragonale-achtige fasen.

Dit, gekoppeld aan de symmetrie-gerelateerde eigenschappen van de fase, maakt het mogelijk om gemakkelijk te worden beïnvloed door elektrische velden.

"We hebben de literatuur doorgenomen en ontdekten dat iedereen vrij standaard commerciële substraatoriëntaties gebruikt, ", zegt hoofdonderzoeker Daniel Sando. "We hebben onze leveranciers gevraagd om verschillende miscut-oriëntaties op maat te maken tussen de standaardoriëntaties, wat leidde tot de ontdekking van de nieuwe fase. We vroegen ons af of de reden waarom mensen dit niet eerder hadden gedaan, is dat de kristallografie die bij deze miscuts betrokken is nogal complex is en intimiderend kan zijn."

De internationale samenwerking tussen onderzoekers van Oak Ridge National Lab, Universiteit van Arkansas, en Monash-universiteit, gebruikte theoretische berekeningen en een reeks experimentele technieken om aan te tonen dat deze nieuwe fase een veel hogere elektromechanische respons heeft dan traditionele BFO.

"We tonen bovendien sterk bewijs dat deze fase met lage symmetrie kan worden omgezet in een fase met hogere symmetrie met behulp van een elektrisch veld, en als resultaat kan de elektromechanische respons nog verder worden verbeterd met een factor 3, ', zegt Oliver Paull.

Een multifunctioneel hulpmiddel:de aanpak toepassen op een breed scala aan oxidematerialen

Een van de meest aansprekende aspecten van deze ontdekking is de algemene methodologie en toepasbaarheid op een brede klasse van materiaalsystemen.

"We hebben ervoor gekozen om ons te concentreren op BiFeO ₃ vanwege zijn ferro-elektrische, magnetisch, en piëzo-elektrische eigenschappen, maar de benadering kan gemakkelijk worden toegepast op andere perovskietoxiden, ', zegt Oliver Paull.

"We onderzoeken momenteel het effect van deze substraten met een hoge index op puur ferro-elektrische of magnetische systemen, maar de mogelijkheden om deze techniek te gebruiken zijn enorm. We verwachten lage symmetriefasen van optisch interessante materialen te vinden, evenals nieuwe domeinarrangementen in ferro-elektriciteit, om er een paar te noemen, " merkte Laurent Bellaiche op, de theoretische voorsprong op het project."

"Als je te maken hebt met epitaxie, dan kan deze anisotrope techniek zeer nuttig zijn voor uw onderzoek, ' zegt Daniël Sando.

"Deze studie is nog maar het begin. We zijn van plan deze anisotrope epitaxiebenadering te combineren met oxide-superroosters (herhalende lagen van verschillende samenstellingen, d.w.z. A-B-A-B enz.), evenals het combineren van de lage symmetrie kristalstructuren met andere gevestigde routes voor het verbeteren van piëzorespons, inclusief vervanging door zeldzame aardelementen, bijvoorbeeld. Eindelijk, aangezien BFO multiferroïsch is, we hebben een reeks magnetische onderzoeken gepland voor deze nieuwe fase met lage symmetrie", zegt UNSW-lableider Nagy Valanoor.

Er zijn zelfs nog bredere mogelijke toepassingen:piëzo-elektrische materialen die in sensoren en actuatoren worden gebruikt, zijn doorgaans op lood gebaseerde verbindingen in bulkvorm. Hoewel de nieuwe aanpak niche- en zeer onderzoeksgericht is, er zou ruimte kunnen zijn voor de nieuwe methoden om te werken in industrieën zoals nano-actuatoren of sensoren. Het belangrijkste aspect is het gebruik van de anisotrope epitaxiebenadering om 1) een fase met lage symmetrie te genereren, en 2) verbeteringen in reactie mogelijk te maken; in dit geval, de piëzo-elektrische coëfficiënt.

"Anisotrope epitaxiale stabilisatie van een ferro-elektrische laag-symmetrie met verbeterde elektromechanische respons" werd gepubliceerd in Natuurmaterialen in september 2020.