Forskere hjælper tyndfilm ferroelektriske til at gå ekstremt

Forskere har i høj grad udvidet rækkevidden af ​​funktionelle temperaturer for ferroelektriske, et nøglemateriale, der bruges til forskellige dagligdags applikationer, ved at skabe den første polarisationsgradient nogensinde i en tynd film.

Præstationen, rapporterede 10. maj i Naturkommunikation af forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), baner vejen for at udvikle enheder, der er i stand til at understøtte trådløs kommunikation i ekstreme miljøer, indefra atomreaktorer til Jordens polarområder.

Ferroelektriske materialer er værdsat for at have en spontan polarisering, der er reversibel af et påført elektrisk felt og for evnen til at producere elektriske ladninger som reaktion på fysisk tryk. De kan fungere som kondensatorer, transducere, og oscillatorer, og de kan findes i applikationer såsom transitkort, ultralydsbilleddannelse, og tændingssystemer med trykknap.

Berkeley Lab-forskere skabte en stamme og kemisk gradient i en 150 nanometer tynd film af bariumstrontiumtitanat, et meget anvendt ferroelektrisk materiale. Forskerne var i stand til direkte at måle de små atomforskydninger i materialet ved hjælp af avanceret avanceret mikroskopi på Berkeley Lab, at finde gradienter i polariseringen. Polarisationen varierede fra 0 til 35 mikrocoulombs pr. Centimeter i kvadrat over tykkelsen af ​​tyndfilmsmaterialet.

Slå forudsigelser fra lærebøger ud

"Traditionel fysik og ingeniørbøger ville ikke have forudsagt denne observation, "sagde undersøgelseslederforsker Lane Martin, fakultetsforsker ved Berkeley Labs Materials Sciences Division og UC Berkeley lektor i materialer og teknik. "At skabe gradienter i materialer koster meget energi - Moder Natur kan ikke lide dem - og materialet arbejder på at udjævne sådanne ubalancer på en hvilken som helst måde. For at en stor gradient som den, vi har her, kan forekomme, vi havde brug for noget andet i materialet for at kompensere for denne ugunstige struktur. I dette tilfælde, nøglen er materialets naturligt forekommende fejl, såsom afgifter og ledige stillinger af atomer, der rummer ubalancen og stabiliserer gradienten i polarisering. "

Oprettelse af en polarisationsgradient havde den gavnlige effekt at udvide temperaturområdet for optimal ydeevne af det ferroelektriske materiale. Bariumtitanats funktion er stærkt temperaturafhængig med relativt små effekter nær stuetemperatur og en stor, skarp top som reaktion ved omkring 120 grader Celsius. Dette gør det svært at opnå velkontrolleret, pålidelig funktion, da temperaturen varierer ud over et ret smalt vindue. For at tilpasse materialet til at fungere til applikationer ved og omkring stuetemperatur, ingeniører indstiller materialets kemi, men temperaturintervallet, hvor materialerne er nyttige, forbliver relativt snævert.

"Den nye polarisationsprofil, vi har oprettet, giver anledning til et næsten temperaturfølsomt dielektrisk respons, som ikke er almindelig i ferroelektriske materialer, "sagde Martin." Ved at lave en gradient i polarisationen, ferroelektrisk fungerer samtidigt som et område eller kontinuum af materialer, giver os højtydende resultater på tværs af et vindue på 500 grader Celsius. Sammenlignet med, standard, hyldematerialer i dag ville give de samme svar på tværs af et meget mindre vindue på 50 grader Celsius. "

Ud over de åbenlyse udvidelser til varmere og koldere miljøer, forskerne bemærkede, at dette bredere temperaturinterval kunne reducere antallet af komponenter, der er nødvendige i elektroniske enheder og potentielt reducere strømforbruget af trådløse telefoner.

"Den smartphone, jeg holder i min hånd lige nu, har dielektriske resonatorer, faseskift, oscillatorer - mere end 200 elementer i alt - baseret på materialer, der ligner det, vi studerede i dette papir, "sagde Martin." Omkring 45 af disse elementer er nødvendige for at filtrere de signaler, der kommer til og fra din mobiltelefon for at sikre, at du har et klart signal. Det er en enorm mængde fast ejendom, der skal afsættes til en funktion. "

Fordi ændringer i temperatur ændrer resonansen af ​​de ferroelektriske materialer, der foretages konstante justeringer for at matche materialerne til bølgelængden af ​​de signaler, der sendes fra celletårne. Strøm er nødvendig for at indstille signalet, og jo mere ude af klang det er, jo mere strøm telefonen skal bruge for at få et klart signal til den, der ringer. Et materiale med en polarisationsgradient, der kan fungere over store temperaturregimer, kan reducere den effekt, der er nødvendig for at indstille signalet.

Hurtigere detektorer muliggør nye billeddannelsesteknikker

At forstå polarisationsgradienten indebar brug af epitaxial stamme, en strategi, hvor der dyrkes et krystallinsk overlag på et substrat, men med et mismatch i gitterstrukturen. Denne stamtekniske teknik, almindeligt anvendt i halvlederfremstilling, hjælper med at kontrollere strukturen og forbedre ydeevnen i materialer.

Nylige fremskridt inden for elektronmikroskopi har gjort det muligt for forskere at opnå atomskala strukturelle data for det belastede bariumstrontiumtitanat, og til direkte at måle belastningen og polarisationsgradienten.

"Vi har etableret en måde at bruge nanobeam -scanningsdiffraktion til at registrere diffraktionsmønstre fra hvert punkt, og derefter analysere datasætene for stamme- og polarisationsdata, "sagde studieforfatter Andrew Minor, direktør for National Center for Electron Microscopy at Berkeley Lab's Molecular Foundry, en DOE Office of Science brugerfacilitet. "Denne form for kortlægning, pioner i Berkeley Lab, er både nyt og meget kraftfuldt. "

En anden nøglefaktor var detektorens hastighed, Mindre tilføjet. For dette papir, data blev opnået med en hastighed på 400 billeder i sekundet, en størrelsesorden hurtigere end hastigheden på 30 billeder pr. sekund fra blot et par år siden. Denne teknik er nu tilgængelig for brugere på støberiet.

"Vi ser en revolution inden for mikroskopi relateret til brugen af ​​direkte elektrondetektorer, der ændrer mange forskningsområder, "sagde Mindre, der også har en ansættelse som UC Berkeley professor i materialevidenskab og teknik. "Vi er i stand til både at se og måle ting i en skala, der var svær at forestille sig indtil for nylig."