Forbedring af piezoelektriske egenskaber under pres

Stress forbedrer egenskaberne af et lovende materiale til fremtidige teknologier.

UNSW -forskere har fundet en ny eksotisk tilstand af et af de mest lovende multiferroiske materialer, med spændende konsekvenser for fremtidige teknologier, der bruger disse forbedrede egenskaber.

Ved at kombinere en omhyggelig balance mellem tyndfilmstamme, forvrængning og tykkelse, holdet har stabiliseret en ny mellemfase i et af de få kendte multiferroiske materialer ved stuetemperatur.

Den teoretiske og eksperimentelle amerikansk-australske undersøgelse viser, at denne nye fase har en elektromekanisk fortjenstfigur over det dobbelte af sin sædvanlige værdi, og at vi endda let kan omdanne mellem denne mellemfase til andre faser ved hjælp af et elektrisk felt.

Ud over at levere en værdifuld ny teknik til værktøjssættet for alle internationale materialeforskere, der arbejder med multiferroics og epitaxy, resultaterne kaster endelig lys over, hvordan epitaksiale teknikker kan bruges til at forbedre funktionel reaktion af materialer til fremtidig anvendelse i næste generations enheder.

Stress ændrer alt

Hvis 2020-21 har lært os noget, det er, at stress ændrer alt. Selv den mest "sammen" person kan kæmpe og ændre sig givet nok stress i deres liv.

Det samme gælder for krystaller, også. Når vi anvender stress på krystaller, de bliver anstrengte og kan ændre deres struktur og fysiske egenskaber dramatisk. Stamme pålagt et materiale skubber normalt sammen eller trækker fra hinanden langs (mindst) en akse, skaber tryk- og trækbelastning.

Belastning af tynde film på substrater får filmens byggesten til at deformere, så de matcher størrelserne på byggestenene på det tilstødende substrat. Hvis substratets strukturelle enheder er større end den tynde film (den blå firkant), filmen (hvid kontur) vil strække sig vandret (dvs. "trækbelastning") og komprimere lodret for at passe.

På den anden side, en mindre substratstrukturcelle (grøn firkant) vil bevirke, at filmstrukturen komprimeres vandret ("kompressionsbelastning") og strækkes lodret.

"I vores forskning, vi påførte anisotrop stamme til vores film. Det betyder, at belastningen påføres er forskellig afhængigt af hvilken retning du leder, og dette kan skabe komplicerede belastningstilstande, der tvinger film ind i nye faser, "siger første forfatter Oliver Paull (UNSW).

BiFeO ₃ (eller BFO) kan prale af et imponerende CV med multifunktionelle egenskaber, herunder piezoelektricitet, ferroelektricitet, magnetisme og optiske egenskaber.

BFO er uden tvivl det mest populære magnetoelektriske materiale for forskere (dvs. et materiale, der har både magnetisk og elektrisk ordning, der kan påvirke hinanden).

Magnetoelektriske materialer er yderst interessante for spintronik og hukommelsesapplikationer, da koblingen mellem magnetisme og ferroelektricitet lover lavenergiteknologier. (At skrive data med et elektrisk felt er meget mere effektivt end at skrive med magnetfelt.)

BFO er ikke kun magnetoelektrisk, men det er et af de meget få materialer, der er magnetoelektriske ved stuetemperatur, gør det levedygtigt til brug i applikationer såsom fremtidig lavenergi-elektronik, uden krav om energikrævende kryokøling.

Kun meget få multiferroiske materialer (dvs. materialer, der har både magnetisk og elektrisk orden) udviser disse nyttige egenskaber ved stuetemperatur.

Ud over dette, BFO kan prale af andre funktionelle egenskaber:piezoelektricitet, ferroelektricitet, fotovoltaiske effekter, og mere. Det er også blyfrit, giver det en klar fordel i forhold til de fleste højtydende piezoelektriske materialer, som desværre indeholder giftigt bly.

Piezoelektriske materialer, som kan omdanne mekanisk tryk til elektrisk energi, har brede anvendelser som sensorer med ultrahøj følsomhed i enheder som smartphone-bevægelsessensorer og pacemakere (hvor det er en fordel at undgå giftige materialer).

Ved at bruge stærkt fejlskårne substrater, forskergruppen skubbede BFO ind i en ny fase, der i det væsentlige er bindeleddet mellem de velkendte rhombohedrallignende og tetragonallignende faser.

Det her, kombineret med fasens symmetri-relaterede egenskaber, gør det let at påvirke det af elektriske felter.

"Vi kiggede i litteraturen og fandt ud af, at alle bruger ret standardiserede kommercielle substratorienteringer, "siger hovedforsker Daniel Sando." Vi bad vores udbydere om at skræddersy forskellige fejlretningspunkter mellem standardorienteringerne, hvilket førte til opdagelsen af ​​den nye fase. Vi spurgte os selv, om grunden til, at folk ikke havde gjort dette før, er, at krystallografien involveret i disse fejltagelser er ret kompleks og kan være skræmmende. "

Det internationale samarbejde mellem forskere ved Oak Ridge National Lab, University of Arkansas, og Monash University, brugte teoretiske beregninger og en række eksperimentelle teknikker til at vise, at denne nye fase har en meget højere elektromekanisk respons end traditionel BFO.

"Vi viser desuden stærke beviser for, at denne lavsymmetri-fase kan omdannes til en højere symmetri-fase ved hjælp af et elektrisk felt, og som et resultat kan forbedre den elektromekaniske reaktion endnu mere med en faktor 3, ”siger Oliver Paull.

Et multifunktionsværktøj:Anvendelse af tilgangen til en bred vifte af oxidmaterialer

Et af de mest tiltalende aspekter ved denne opdagelse er dens generelle metode og anvendelighed på en bred klasse af materialesystemer.

”Vi valgte at fokusere på BiFeO ₃ på grund af dets ferroelektriske, magnetisk, og piezoelektriske egenskaber men metoden anvendes let på andre perovskitoxider, ”siger Oliver Paull.

"Vi undersøger i øjeblikket effekten af ​​disse højindekssubstrater på rent ferroelektriske eller magnetiske systemer, men mulighederne for at bruge denne teknik er enorme. Vi forventer at finde faser med lav symmetri af optisk interessante materialer, samt nye domænearrangementer inden for ferroelektri, for at nævne et par stykker, "bemærkede Laurent Bellaiche, den teoretiske føring på projektet. "

"Hvis du har at gøre med epitaxy, så kan denne anisotropiske teknik vise sig meget frugtbar for din forskning, ”siger Daniel Sando.

"Denne undersøgelse er kun begyndelsen. Vi planlægger at kombinere denne anisotropiske epitaxy -tilgang til oxidsuperlattices (gentagende lag af forskellige sammensætninger, dvs. A-B-A-B osv.), samt at kombinere krystallstrukturer med lav symmetri med andre etablerede ruter til forbedring af piezorespons, herunder substitution med sjældne jordarter for eksempel. Endelig, da BFO er multiferroisk, vi har planlagt en række magnetiske undersøgelser for denne nye lavsymmetri-fase. "siger UNSWs laboratorieleder Nagy Valanoor.

Der er endnu bredere mulige applikationer:Piezoelektriske anvendelser i sensorer og aktuatorer er typisk blybaserede forbindelser i bulkform. Mens den nye tilgang er niche og meget forskningsorienteret, der kunne være plads til, at de nye metoder kan fungere i brancher som nano-aktuatorer eller sensorer. Det centrale aspekt er brugen af ​​den anisotrope epitaxy tilgang til 1) at generere en lavsymmetri fase, og 2) lette forbedringer som reaktion; I dette tilfælde, den piezoelektriske koefficient.

"Anisotrop epitaksial stabilisering af et lavsymmetri ferroelektrisk med forbedret elektromekanisk respons" blev offentliggjort i Naturmaterialer i september 2020.