Et strejf af guld sender krystaller elektriske af spænding

Et strejf af guld - eller et andet ædelmetal - kan ændre strukturen af ​​en krystal og dens iboende egenskaber, fysikere ved University of Warwick har demonstreret i en fremvisning af nutidens alkymi.

Forskere ved University of Warwick har fundet en måde at fremkalde elektriske effekter i krystaller, som de ikke tidligere var i stand til, såsom omdannelse af bevægelse eller varme til elektricitet, simpelthen ved at tilføje et stykke metal til deres overflade.

Deres metode er detaljeret i et nyt papir, der blev offentliggjort i dag i Natur og viser, at virkningerne kan være større end konventionelt undersøgt omfangsrige materialer, hvilket gør det ideelt til brug i teknologier som f.eks. sensorer, energiomstilling og mobile teknologier.

Nøglen til teknikken er at bryde symmetrien i krystallens struktur. En krystal kan laves af en række forskellige atomer, men udtrykket beskriver en ordnet struktur af partikler, der danner et symmetrisk mønster.

Professor Marin Alexe, medlederforfatter fra Institut for Fysik ved University of Warwick, sagde:"I fysik, disse materialer er ret kedelige. Set fra funktionalitetens synspunkt, symmetri er ikke det største, du vil have. Du vil bryde symmetrien på en sådan måde, at du får nye effekter. "

Krystallen kan fungere som en halvleder, tillader en elektrisk strøm at strømme igennem den. Ved at tilføje et lille stykke metal til krystaloverfladen, forskerne skabte et kryds kendt som et Schottky -kryds. Dette inducerer et elektrisk felt i halvlederen, der ophidser halvlederstrukturen under metallet, bryde sin symmetri og muliggøre nye effekter, der ikke tidligere var mulige.

Disse effekter, som forskere observerede, omfattede en piezoelektrisk effekt, hvor bevægelse omdannes til elektrisk energi eller omvendt; og en pyroelektrisk effekt, hvor varme omdannes til elektrisk energi. Disse egenskaber er kendt som grænsefladeeffekter og begrænset til et meget lavt område af krystallen, under metallerne.

Dr. Mingmin Yang, der udførte arbejdet ved University of Warwick og siden er flyttet til RIKEN -instituttet i Japan, sagde:"Generelt egenskaberne af disse krystaller bestemmes af to faktorer:de iboende egenskaber ved de elementer, som krystallen består af, og hvordan disse elementer er indrettet til at danne den krystal, som vi kalder dens symmetri.

"Vores forskning viser, at hvordan disse elementer er arrangeret ikke kun bestemmes af deres egen natur, de kan også indstilles af ekstern påvirkning. Når vi først har brugt denne indflydelse til at ændre deres arrangement, de kan udvise ejendomme, der tidligere var forbudt for dem. "

Forskerne brugte ædelmetallerne guld og platin til at skabe deres forbindelsespunkt på grund af deres høje termodynamiske arbejdsfunktion, men kobber, sølv, guld, iridium eller platin ville også være gode muligheder. For krystallerne, Strontium titanat, Titandioxid og silicium blev brugt. Ingen af ​​disse materialer vil normalt vise en piezoelektrisk eller pyroelektrisk effekt.

Når materialerne har den piezoelektriske eller pyroelektriske effekt, de kan afgive elektricitet, når de oplever kraft (i tilfælde af piezoelektrisk effekt) eller en temperaturændring (i tilfælde af den pyroelektriske effekt). Ved at opdage elektricitet genereret i materialerne kunne forskerne bekræfte eksistensen af ​​disse effekter.

De observerede effekter giver teknikken et stort potentiale for brug i sensorer, som kræver høj følsomhed, eller i teknologier, der er afhængige af energiomdannelse. Som en piezoelektrisk effekt, krystallerne kan høste energi, eller arbejde som en aktuator eller transducer. Med den pyroelektriske effekt, de kan fungere som en sensor eller i infrarød billeddannelse.

Ud over, den lille skala, som denne effekt ses på, og dens høje effektivitet ville gøre den ideel til brug i mobile teknologier.

I teamets tidligere arbejde har de undersøgt måder at bryde symmetri på mekaniske måder. Dette arbejde så på muligheden for at bryde symmetrien ved hjælp af et elektrisk felt

Professor Alexe tilføjede:"Materialer med brudt symmetri er rige på funktionaliteter. For at forbedre disse funktionaliteter, du skal normalt justere materialestrukturen. Dette kræver implementering af kompliceret solid-state kemi efterfulgt af detaljerede undersøgelser.

"Du har nu en helt anden vej til at finjustere disse materialer og evnen til at justere effekten, noget, som vi ikke har været i stand til før. Det åbner feltet for mange andre muligheder med disse materialer, og vi ved måske ikke, hvor de leder hen. "