Undersøgelse identificerer højtydende alternativ til konventionel ferroelektrik

At tænde en gasgrill, få en ultralyd, bruge en ultralydstandbørste – disse handlinger involverer brug af materialer, der kan omsætte en elektrisk spænding til en ændring i form og omvendt.

Kendt som piezoelektricitet, kan evnen til at handle mellem mekanisk stress og elektrisk ladning udnyttes bredt i kondensatorer, aktuatorer, transducere og sensorer som accelerometre og gyroskoper til næste generations elektronik. Det har imidlertid været vanskeligt at integrere disse materialer i miniaturiserede systemer på grund af tendensen hos elektromekanisk aktive materialer til - på submikrometerskalaen, når tykkelsen kun er nogle få milliontedele af en tomme - at blive "klemt" ned af det materiale, de er fastgjort til , hvilket reducerer deres ydeevne betydeligt.

Rice University forskere og samarbejdspartnere ved University of California, Berkeley har fundet ud af, at en klasse af elektromekanisk aktive materialer kaldet antiferroelektriske stoffer kan være nøglen til at overvinde ydeevnebegrænsninger på grund af fastspænding i miniaturiserede elektromekaniske systemer.

En ny undersøgelse offentliggjort i Nature Materials rapporterer, at en model af et antiferroelektrisk system, bly zirconate (PbZrO₃ ), producerer en elektromekanisk respons, der kan være op til fem gange større end den for konventionelle piezoelektriske materialer, selv i film, der kun er 100 nanometer (eller 4 milliontedele af en tomme) tykke.

"Vi har brugt piezoelektriske materialer i årtier," sagde Rice-materialeforsker Lane Martin, som er den tilsvarende forfatter på undersøgelsen. "Der har på det seneste været en stærk motivation til yderligere at integrere disse materialer i nye typer enheder, der er meget små - som du gerne vil gøre for f.eks. en mikrochip, der går ind i din telefon eller computer. Problemet er, at disse materialer er typisk bare mindre anvendelig i disse små skalaer."

Ifølge nuværende industristandarder anses et materiale for at have meget god elektromekanisk ydeevne, hvis det kan gennemgå en 1% ændring i form - eller belastning - som reaktion på et elektrisk felt. For et objekt, der måler 100 tommer i længden, repræsenterer det f.eks. 1 % belastning at blive 1 tomme længere eller kortere.

"Fra et materialevidenskabeligt perspektiv er dette en betydelig reaktion, da de fleste hårde materialer kun kan ændre sig med en brøkdel af en procent," sagde Martin, professor i Robert A. Welch, professor i materialevidenskab og nanoteknik og direktør for Rice Advanced Materials Institute.

Når konventionelle piezoelektriske materialer skaleres ned til systemer mindre end en mikrometer (1.000 nanometer) i størrelse, forringes deres ydeevne generelt betydeligt på grund af interferensen fra substratet, hvilket dæmper deres evne til at ændre form som reaktion på elektrisk felt eller omvendt generere spænding som reaktion på en formændring.

Ifølge Martin, hvis den elektromekaniske ydeevne blev vurderet på en skala fra 1-10 – hvor 1 er den laveste ydeevne og 10 er industristandarden for 1 % belastning – forventes fastspænding typisk at bringe konventionel piezoelektriks elektromekaniske respons ned fra en 10 til intervallet 1-4.

"For at forstå, hvordan fastspænding påvirker bevægelse, skal det første billede være på et mellemsæde i et fly uden nogen på begge sider af dig - du vil være fri til at justere din position, hvis du bliver utilpas, overophedet osv.," sagde Martin. "Forestil dig nu det samme scenarie, bortset fra at du nu sidder mellem to enorme offensive linjemænd fra Rices fodboldhold. Du ville blive 'klemt' mellem dem, så du virkelig ikke kunne justere din position meningsfuldt som svar på en stimulus."

Forskerne ønskede at forstå, hvordan meget tynde film af antiferroelektrik - en klasse af materialer, der forblev understuderet indtil for nylig på grund af manglende adgang til "model"-versioner af materialerne og til deres komplekse struktur og egenskaber - ændrede deres form som reaktion på spænding og om de ligeledes var modtagelige for fastklemning.

Først dyrkede de tynde film af modellen antiferroelektrisk materiale PbZrO₃ med meget omhyggelig kontrol af materialetykkelse, kvalitet og orientering. Dernæst udførte de en række elektriske og elektromekaniske målinger for at kvantificere de tynde films respons på påført elektrisk spænding.

"Vi fandt ud af, at responsen var betydeligt større i de tynde film af antiferroelektrisk materiale, end hvad der opnås i lignende geometrier af traditionelle materialer," sagde Hao Pan, en postdoc-forsker i Martins forskningsgruppe og hovedforfatter på undersøgelsen.

At måle formændringer i så små skalaer var ikke en let bedrift. Faktisk krævede optimering af måleopsætningen så meget arbejde, at forskerne dokumenterede processen i en separat publikation.

"Med den perfekte måleopsætning kan vi få en opløsning på to picometers - det er omkring en tusindedel af en nanometer," sagde Pan. "Men bare det at vise, at en formændring skete, betyder ikke, at vi forstår, hvad der foregår, så vi var nødt til at forklare det. Dette var en af ​​de første undersøgelser, der afslørede mekanismerne bag denne høje ydeevne."

Med støtte fra deres samarbejdspartnere ved Massachusetts Institute of Technology brugte forskerne et state-of-the-art transmissionselektronmikroskop til at observere materialets formskifte i nanoskala med atomopløsning i realtid.

"Med andre ord så vi den elektromekaniske aktivering, mens den foregik, så vi kunne se mekanismen for de store formændringer," sagde Martin. "Det, vi fandt, var, at der er en elektrisk spændingsinduceret ændring i materialets krystalstruktur, som er ligesom den grundlæggende byggeenhed eller en enkelt type legoklods, som materialet er bygget af. I dette tilfælde får den legoklods reversibelt strakt med påført elektrisk spænding, hvilket giver os en stor elektromekanisk respons."

Overraskende nok fandt forskerne ud af, at fastspænding ikke kun forstyrrer materialets ydeevne, men det forbedrer det faktisk. Sammen med samarbejdspartnere ved Lawrence Berkeley National Laboratory og Dartmouth College genskabte de materialet beregningsmæssigt for at få et andet billede af, hvordan fastspændingen påvirker aktiveringen under påført elektrisk spænding.

"Vores resultater er kulminationen på mange års arbejde med relaterede materialer, herunder udviklingen af ​​nye teknikker til at undersøge dem," sagde Martin. "Ved at finde ud af, hvordan man får disse tynde materialer til at fungere bedre, håber vi at muliggøre udviklingen af ​​mindre og mere kraftfulde elektromekaniske enheder eller mikroelektromekaniske systemer (MEMS) - og endda nanoelektromekaniske systemer (NEMS) - der bruger mindre energi og kan ting, vi aldrig troede var mulige før."