Mechanische eigenschappen van nanomaterialen kunnen worden gewijzigd door het aanleggen van spanning, Onderzoekers van de Universiteit van Wyoming hebben ontdekt.

De onderzoekers, geleid door TeYu Chien, een UW-assistent-professor bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde, vastgesteld dat het elektrische veld verantwoordelijk is voor het veranderen van de breuktaaiheid van nanomaterialen, die worden gebruikt in geavanceerde elektronische apparaten. Het is het eerste waargenomen bewijs dat het elektrische veld de breuktaaiheid op nanometerschaal verandert.

Deze bevinding opent de weg voor verder onderzoek van nanomaterialen met betrekking tot interacties tussen elektrisch veld en mechanische eigenschappen, wat van groot belang is voor toepassingen en fundamenteel onderzoek.

Chien is de hoofdauteur van een paper, getiteld "Ingebouwd elektrisch veld geïnduceerde mechanische eigenschapsverandering bij de lanthaan-nikkel/Nb-gedoteerde strontiumtitanaat-interfaces, " dat onlangs werd gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten . Wetenschappelijke rapporten is een online, open access tijdschrift van de uitgevers van Nature. Het tijdschrift publiceert wetenschappelijk onderbouwd primair onderzoek uit alle gebieden van de natuurwetenschappen en klinische wetenschappen.

Andere onderzoekers die hebben bijgedragen aan het artikel zijn van de Universiteit van Arkansas, Universiteit van Tennessee en Argonne National Laboratory in Argonne, Ziek.

Chien en zijn onderzoeksteam bestudeerden de oppervlakken van de gebroken interfaces van keramische materialen, waaronder lanthaannikkelaat en strontiumtitanaat met een kleine hoeveelheid niobium. De onderzoekers onthulden dat strontiumtitanaat, binnen enkele nanometers van de interfaces, anders gebroken dan het strontiumtitanaat, weg van de grensvlakken.

De twee keramische materialen zijn gekozen omdat de ene een metaaloxide is en de andere een halfgeleider. Wanneer de twee soorten materialen met elkaar in contact komen, er wordt automatisch een intrinsiek elektrisch veld gevormd in een regio, bekend als de Schottky-barrière, in de buurt van de interface, legt Chien uit. De Schottky-barrière verwijst naar het gebied waar een intrinsiek elektrisch veld wordt gevormd op metaal/halfgeleiderinterfaces.

Het intrinsieke elektrische veld op grensvlakken is een onvermijdelijk fenomeen wanneer een materiaal in contact is met een ander. De elektrische veldeffecten op de mechanische eigenschappen van materialen worden zelden bestudeerd, vooral voor nanomaterialen. Het begrijpen van elektrische veldeffecten is uiterst belangrijk voor toepassingen van nano-elektromechanische systemen (NEMS), wat zijn apparaten, zoals actuatoren, integratie van elektrische en mechanische functionaliteiten op nanoschaal.

Voor NEMS-materialen gemaakt op nanoschaal, inzicht in de mechanische eigenschappen die worden beïnvloed door elektrische velden is cruciaal voor volledige controle over de prestaties van het apparaat. De waarnemingen in deze studie effenen de weg om de mechanische eigenschappen van nanomaterialen beter te begrijpen.

"Het elektrische veld verandert de lengte van de interatomaire binding in het kristal door positief en negatief geladen ionen in tegengestelde richtingen te duwen, " zegt Chien. "Het veranderen van de bindingslengte verandert de bindingssterkte. Vandaar, de mechanische eigenschappen, zoals breuktaaiheid."

"Het hele plaatje is dit:het intrinsieke elektrische veld in de Schottky-barrière werd gecreëerd aan de interfaces. Dit polariseerde vervolgens de materialen nabij de interfaces door de atomaire posities in het kristal te veranderen. De veranderde atomaire posities veranderden de interatomaire bindingslengte binnenin de materialen om de mechanische eigenschappen in de buurt van de interfaces te veranderen, ’ vat Chien samen.