Onderzoekers van het Technion Department of Materials Science and Engineering zijn erin geslaagd de elektrische eigenschappen van een materiaal te veranderen door een zuurstofatoom uit de oorspronkelijke structuur te verwijderen. Mogelijke toepassingen zijn miniaturisatie van elektronische apparaten en stralingsdetectie.

Wat hebben echografie van een foetus, cellulaire mobiele communicatie, micromotoren en energiezuinige computergeheugens met elkaar gemeen? Al deze technologieën zijn gebaseerd op ferro-elektrische materialen, die worden gekenmerkt door een sterke correlatie tussen hun atomaire structuur en de elektrische en mechanische eigenschappen.

Technion-Israel Institute of Technology-onderzoekers zijn erin geslaagd de eigenschappen van ferro-elektrische materialen te veranderen door een enkel zuurstofatoom uit de oorspronkelijke structuur te verwijderen. De doorbraak kan de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van nieuwe technologieën. Het onderzoek werd geleid door assistent-professor Yachin Ivry van de afdeling Materials Science and Engineering, vergezeld van postdoctoraal onderzoeker Dr. Hemaprabha Elangovan en Ph.D. student Maya Barzilay, en werd gepubliceerd in ACS Nano . Opgemerkt wordt dat het ontwerpen van een individuele zuurstofvacature een aanzienlijke uitdaging vormt vanwege het lichte gewicht van zuurstofatomen.

In ferro-elektrische materialen veroorzaakt een kleine verschuiving van de atomen significante veranderingen in het elektrische veld en in de samentrekking of uitzetting van het materiaal. Dit effect is het resultaat van het feit dat de herhalende basiseenheid in het materiaal atomen bevat die in een asymmetrische structuur zijn georganiseerd.

Om dit verder uit te leggen, gebruiken de onderzoekers het baanbrekende ferro-elektrische materiaal, bariumtitanaat, waarvan de atomen een kubusachtige roosterstructuur vormen. In deze materialen doet zich een uniek fenomeen voor:het titaanatoom onttrekt zich aan de zuurstofatomen. Omdat titanium positief geladen is en zuurstof negatief geladen, zorgt deze scheiding voor polarisatie, oftewel een elektrisch dipoolmoment.

Een kubisch rooster heeft zes vlakken, dus de geladen atomen gaan naar een van de zes mogelijkheden. In verschillende delen van het materiaal verschuift een groot aantal naburige atomen in dezelfde richting, en de polarisatie in elk van deze gebieden, dat bekend staat als een ferro-elektrisch domein, is uniform. Traditionele technologieën zijn gebaseerd op het elektrische veld dat in die domeinen wordt gecreëerd. De afgelopen jaren is er echter veel moeite gedaan om de apparaatgrootte te minimaliseren en de grenzen of muren tussen de domeinen te gebruiken in plaats van de domeinen zelf, en zo de apparaten om te zetten van driedimensionale structuren naar tweedimensionale structuren. structuren.

De onderzoeksgemeenschap is verdeeld gebleven over wat er gebeurt in de tweedimensionale wereld van de domeinmuren:hoe wordt de grens tussen twee domeinen met verschillende elektrische polarisatie gestabiliseerd? Is de polarisatie in domeinmuren anders dan de polarisatie in de domeinen zelf? Kunnen de eigenschappen van de domeinmuur gelokaliseerd worden gecontroleerd? De grote belangstelling voor het beantwoorden van deze vragen komt voort uit het feit dat een ferro-elektrisch materiaal in zijn natuurlijke vorm een ​​uitstekende elektrische isolator is. De domeinwanden kunnen echter elektrisch geleiden, waardoor ze een tweedimensionaal object vormen dat door de wil kan worden bestuurd. Dit fenomeen omvat het potentieel om het energieverbruik van apparaten voor gegevensopslag en gegevensverwerking aanzienlijk te verminderen.

In dit project zijn de onderzoekers erin geslaagd om de atomaire structuur en elektrische veldinzet in domeinmuren op atomaire schaal te ontcijferen. In hun recente artikel bevestigen ze de veronderstelling dat domeinmuren het bestaan ​​van een tweedimensionale grens tussen domeinen mogelijk maken als gevolg van gedeeltelijke zuurstofleegstand in gebieden die twee domeinen gemeen hebben, waardoor een grotere flexibiliteit bij de inzet van de lokale elektrisch veld. Ze slaagden erin om technisch een individuele leegstand van een zuurstofatoom te induceren en toonden aan dat deze actie tegengestelde dipolen en grotere elektrische symmetrie creëert - een unieke topologische structuur die een quadrupool wordt genoemd.

Met behulp van computersimulaties van Shi Liu van de Westlake University in China toonden de onderzoekers aan dat het engineeren van de zuurstofatoomvacature een grote impact heeft op de elektrische eigenschappen van het materiaal, niet alleen op atomaire schaal, maar ook op de relevante schaal. op elektronische apparaten, bijvoorbeeld in termen van elektrische geleidbaarheid. Het belang is dat de huidige wetenschappelijke prestatie waarschijnlijk zal helpen bij het verkleinen van dit soort apparaten en bij het verminderen van hun energieverbruik.

In samenwerking met onderzoekers van het Negev Nuclear Research Center heeft de onderzoeksgroep Technion ook aangetoond dat zuurstofvacatures kunnen worden gemanipuleerd door het materiaal bloot te stellen aan elektronische straling. Bijgevolg kan het, naast het technologische potentieel van de ontdekking in elektronica, ook mogelijk zijn om het effect te gebruiken voor stralingsdetectoren, waardoor nucleaire ongevallen vroegtijdig kunnen worden opgespoord en voorkomen, zoals die in 2011 in Fukushima plaatsvonden. , Japan. + Verder verkennen

Studie daagt standaardideeën over piëzo-elektriciteit in ferro-elektrische kristallen uit