Door een "bottom-up"-benadering te hanteren, Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hebben voor het eerst waargenomen dat "grootte er wel toe doet" met betrekking tot "pyro-elektriciteit" - de stroom / spanning die wordt ontwikkeld als reactie op temperatuurschommelingen die technologieën zoals infraroodsensoren mogelijk maken, nachtzicht, en energieconversie-eenheden, om er een paar te noemen.

"Het regelen en manipuleren van warmte voor toepassingen zoals het oogsten van restwarmte, geïntegreerde koeltechnologieën, elektronenemissie, en aanverwante functies is tegenwoordig een spannend vakgebied, " legde Lane Martin uit, een assistent-professor materiaalkunde en techniek in Illinois. "Traditioneel, deze systemen vertrouwden op bulkmaterialen, maar toekomstige apparaten op nanoschaal zullen in toenemende mate ferro-elektrische dunne films nodig hebben.

"Het meten van de pyro-elektrische respons van dunne films is moeilijk en heeft het begrip van de fysica van pyro-elektriciteit beperkt, sommigen ertoe aanzetten om het te bestempelen als 'een van de minst bekende eigenschappen van vaste materialen', " Martin voegde toe. "Dit werk biedt de meest complete en gedetailleerde modellering en experimentele studie van dit algemeen onbekende gebied van materialen en heeft directe implicaties voor apparaten van de volgende generatie."

Onderzoekers ontdekten dat het verkleinen van de afmetingen van ferro-elektriciteit hun gevoeligheid voor door grootte en spanning veroorzaakte effecten verhoogt. Het blad van de groep, "Effect van domeinwanden van 90 graden en mismatch in thermische uitzetting op de pyro-elektrische eigenschappen van epitaxiale PbZr _0.2 Ti _0,8 O ₃ dunne films, " verschijnt in het journaal Fysieke beoordelingsbrieven .

"Wat we in dit werk hebben gedaan, was een nieuwe benadering ontwikkelen om een ​​klasse materialen te gebruiken en te begrijpen die belangrijk zijn voor al deze toepassingen, Martin zei. "Door over te gaan op een 'bottom-up'-benadering die nanoschaalversies van deze materialen als dunne films produceert, we hebben waargenomen, Voor de eerste keer, dat bepaalde kenmerken, namelijk domein muren, kan ongelooflijk belangrijk zijn en zelfs de temperatuurafhankelijke respons en prestaties van deze materialen domineren."

Volgens J. Karthik, de eerste auteur op het papier van de groep, dunne-film epitaxie is ontwikkeld om een ​​reeks parameters te verschaffen (bijv. film compositie, epitaxiale spanning, elektrische randvoorwaarden, en dikte) die nauwkeurige controle van ferro-elektriciteit mogelijk maken en die een belangrijke rol hebben gespeeld bij het begrijpen van de fysica van diëlektrische en piëzo-elektrische effecten.

"We onderzochten de bijdrage van 90º-domeinwanden en thermische uitzettingsmismatch aan pyro-elektriciteit in ferro-elektrisch PbZr _0.2 Ti _0,8 O ₃ dunne films, een veelgebruikt materiaal waarvan de ferro-elektrische en piëzo-elektrische eigenschappen goed worden begrepen, " legde Karthik uit. Als onderdeel van dit werk, Martin's Prometheus-onderzoeksgroep ontwikkelde en paste de eerste fenomenologische modellen toe om extrinsieke en secundaire bijdragen aan pyro-elektriciteit in polydomeinfilms op te nemen en significante extrinsieke bijdragen te voorspellen (voortkomend uit de temperatuurafhankelijke beweging van domeinwanden) en grote secundaire bijdragen (voortkomend uit thermische uitzettingsmismatch tussen de film en het substraat).

"We hebben ook een nieuw fasegevoelig pyro-elektrische stroommeetproces ontwikkeld en toegepast om voor de eerste keer dunne films te meten en een dramatische toename van de pyro-elektrische coëfficiënt te onthullen met een toenemende fractie van in het vlak georiënteerde domeinen en thermische uitzettingsmismatch consistent met deze modellen , ' zei Karthik.

"Door inzicht te krijgen in de wetenschap van deze effecten, met modellen om hun prestaties te voorspellen, en gedemonstreerde technieken om deze eigenschappen te fabriceren en te gebruiken in nanoschaalversies van deze materialen, hun eigenschappen kunnen effectief worden geïntegreerd in bestaande elektronica, ' zei Martijn.