Het vermogen om te wisselen tussen mechanische spanning en elektrische lading staat bekend als piëzo-elektriciteit en kan op grote schaal worden benut in condensatoren, actuatoren, transducers en sensoren zoals versnellingsmeters en gyroscopen voor de volgende generatie elektronica. Het integreren van deze materialen in geminiaturiseerde systemen is echter moeilijk geweest vanwege de neiging van elektromechanisch actieve materialen om – op submicrometerschaal, wanneer de dikte slechts een paar miljoensten van een inch bedraagt ​​– ‘vastgeklemd’ te raken door het materiaal waaraan ze zijn bevestigd. , wat hun prestaties aanzienlijk verlaagt.

Onderzoekers en medewerkers van Rice University aan de University of California, Berkeley hebben ontdekt dat een klasse van elektromechanisch actieve materialen, antiferro-elektrische materialen genaamd, de sleutel kan zijn tot het overwinnen van prestatiebeperkingen als gevolg van klemmen in geminiaturiseerde elektromechanische systemen.

Een nieuwe studie gepubliceerd in Nature Materials meldt dat een model antiferro-elektrisch systeem, loodzirkonaat (PbZrO₃ ), produceert een elektromechanische respons die tot vijf keer groter kan zijn dan die van conventionele piëzo-elektrische materialen, zelfs in films die slechts 100 nanometer (of 4 miljoenste van een inch) dik zijn.

"We gebruiken al tientallen jaren piëzo-elektrische materialen", zegt rijstmateriaalwetenschapper Lane Martin, de corresponderende auteur van het onderzoek. "De laatste tijd is er een sterke motivatie om deze materialen verder te integreren in nieuwe soorten apparaten die erg klein zijn, zoals je zou willen doen voor bijvoorbeeld een microchip die in je telefoon of computer past. Het probleem is dat deze materialen doorgaans gewoon minder bruikbaar op deze kleine schaal."

Volgens de huidige industrienormen wordt een materiaal geacht zeer goede elektromechanische prestaties te hebben als het een verandering van 1% in vorm (of rek) kan ondergaan als reactie op een elektrisch veld. Voor een object dat bijvoorbeeld 30 cm lang is, betekent het 2,5 cm langer of korter maken 1% spanning.

"Vanuit materiaalwetenschappelijk perspectief is dit een significante reactie, aangezien de meeste harde materialen slechts met een fractie van een procent kunnen veranderen", zegt Martin, Robert A. Welch Professor, hoogleraar materiaalkunde en nano-engineering en directeur van de Rice Advanced Materialen Instituut.

Wanneer conventionele piëzo-elektrische materialen worden verkleind tot systemen die kleiner zijn dan een micrometer (1.000 nanometer), gaan hun prestaties doorgaans aanzienlijk achteruit als gevolg van de interferentie van het substraat, waardoor hun vermogen om van vorm te veranderen als reactie op een elektrisch veld of, omgekeerd, wordt verminderd. spanning genereren als reactie op een vormverandering.

Als de elektromechanische prestaties beoordeeld zouden worden op een schaal van 1 tot 10 (waarbij 1 de laagste prestatie is en 10 de industriestandaard is van 1% spanning), wordt er volgens Martin doorgaans verwacht dat klemmen de elektromechanische respons van conventionele piëzo-elektrische apparaten zal terugbrengen van 10 naar 10. het bereik 1-4.

"Om te begrijpen hoe klemmen de beweging beïnvloedt, moet je je eerst voorstellen dat je op de middelste stoel van een vliegtuig zit, met niemand aan weerszijden van je - je bent vrij om je positie aan te passen als je je ongemakkelijk voelt, oververhit raakt, enz.", zei Martin. "Stel je nu hetzelfde scenario voor, alleen zit je nu tussen twee enorme aanvallende lijnwachters van het voetbalteam van Rice. Je zou zo tussen hen in 'geklemd' zitten dat je je positie echt niet zinvol kunt aanpassen als reactie op een stimulus."

De onderzoekers wilden begrijpen hoe zeer dunne films van antiferro-elektrische materialen – een klasse materialen die tot voor kort onderbelicht bleef vanwege een gebrek aan toegang tot ‘modelversies’ van de materialen en vanwege hun complexe structuur en eigenschappen – hun vorm veranderden als reactie op spanning. en of ze ook gevoelig zijn voor vastklemmen.

Eerst groeiden ze dunne films van het model antiferro-elektrische materiaal PbZrO₃ met zeer zorgvuldige controle van de materiaaldikte, kwaliteit en oriëntatie. Vervolgens voerden ze een reeks elektrische en elektromechanische metingen uit om de reacties van de dunne films op aangelegde elektrische spanning te kwantificeren.

"We ontdekten dat de respons aanzienlijk groter was in de dunne films van antiferro-elektrisch materiaal dan wat wordt bereikt in vergelijkbare geometrieën van traditionele materialen", zegt Hao Pan, een postdoctoraal onderzoeker in Martin's onderzoeksgroep en hoofdauteur van het onderzoek.

Het meten van vormverandering op zulke kleine schaal was geen eenvoudige opgave. Het optimaliseren van de meetopstelling vergde zelfs zo veel werk dat de onderzoekers het proces in een aparte publicatie documenteerden.

"Met de geperfectioneerde meetopstelling kunnen we een resolutie van twee picometers bereiken, dat is ongeveer een duizendste van een nanometer", zei Pan. "Maar alleen maar laten zien dat er een vormverandering heeft plaatsgevonden, betekent nog niet dat we begrijpen wat er aan de hand is, dus moesten we het uitleggen. Dit was een van de eerste onderzoeken die de mechanismen achter deze hoge prestaties onthulde."

Met steun van hun medewerkers van het Massachusetts Institute of Technology gebruikten de onderzoekers een ultramoderne transmissie-elektronenmicroscoop om de vormverandering van materiaal op nanoschaal met atomaire resolutie in realtime te observeren.

"Met andere woorden, we keken naar de elektromechanische activering terwijl deze plaatsvond, zodat we het mechanisme voor de grote vormveranderingen konden zien," zei Martin. "Wat we ontdekten was dat er een door elektrische spanning veroorzaakte verandering is in de kristalstructuur van het materiaal, die lijkt op de fundamentele bouweenheid of het enkele type Lego-blok waaruit het materiaal is opgebouwd. In dit geval krijgt dat Lego-blok omkeerbaar uitgerekt met aangelegde elektrische spanning, wat ons een grote elektromechanische respons geeft."

Verrassend genoeg ontdekten de onderzoekers dat klemmen niet alleen de materiaalprestaties niet verstoort, maar deze zelfs verbetert. Samen met medewerkers van het Lawrence Berkeley National Laboratory en Dartmouth College hebben ze het materiaal computationeel nagebouwd om een ​​ander beeld te krijgen van hoe de klemming de bediening onder aangelegde elektrische spanning beïnvloedt.

"Onze resultaten zijn het resultaat van jarenlang werk aan verwante materialen, inclusief de ontwikkeling van nieuwe technieken om ze te onderzoeken", zei Martin. “Door uit te zoeken hoe we deze dunne materialen beter kunnen laten werken, hopen we de ontwikkeling mogelijk te maken van kleinere en krachtigere elektromechanische apparaten of micro-elektromechanische systemen (MEMS) – en zelfs nano-elektromechanische systemen (NEMS) – die minder energie verbruiken en dat ook kunnen doen dingen die we voorheen nooit voor mogelijk hielden."