Konstruerede defekter i krystallinsk materiale øger den elektriske ydeevne

Materialeingeniører kan ikke lide at se linjefejl i funktionelle materialer.

De strukturelle fejl langs en endimensionel linje af atomer forringer generelt elektriske materialers ydeevne. Så, som en forskningsartikel offentliggjort i dag af tidsskriftet Videnskab rapporter, disse lineære defekter, eller dislokationer, "undgås normalt for enhver pris."

Men nogle gange, et team af forskere fra Europa, Iowa State University og U.S. Department of Energy's Ames Laboratory rapporterer i det papir, konstruktion af disse defekter i nogle oxidkrystaller kan faktisk øge den elektriske ydeevne.

Forskerholdet - ledet af Jürgen Rödel og Jurij Koruza fra det tekniske universitet i Darmstadt i Tyskland - fandt, at visse defekter producerede væsentlige forbedringer i to nøglemålinger af elektrisk ydeevne i bariumtitanat, et krystallinsk keramisk materiale.

"Ved at indføre disse defekter i materialet, vi kan ændre, ændre eller forbedre materialets funktionelle egenskaber, " sagde Xiaoli Tan, en Iowa State-professor i materialevidenskab og teknik og en mangeårig forskningssamarbejdspartner med Rödel.

I dette tilfælde, de konstruerede defekter førte til en femdobling af dielektriske egenskaber (der begrænser strømstrømmen) og en 19-dobling af piezoelektriske egenskaber (der internt genererer et elektrisk felt, når de udsættes for mekanisk belastning), sagde Tan.

Specialværktøj til specielle målinger

Ud over Tan, to andre forskere fra Iowa State hjalp projektets internationale forskerhold med at udforske grundlæggende materialespørgsmål:Lin Zhou, en videnskabsmand i materialevidenskab og teknik og det amerikanske energiministeriums Ames Laboratory; og Binzhi Liu, en ph.d.-studerende i materialevidenskab og teknik.

Med støtte fra National Science Foundation, de tre bidrog med deres ekspertise inden for transmissionselektronmikroskopi - teknologi, der kan vise materialers strukturer og egenskaber ved at skyde en elektronstråle gennem tynde prøver og optage et billede. Billederne har meget højere opløsning end lysmikroskopi og kan vise fine detaljer ned til de enkelte atomers skala.

Nøglen til projektet var Ames Laboratory's Sensitive Instrument Facility, bygget i samarbejde med Iowa State. Bygningen blev bygget i 2015 med næsten 10 millioner dollars fra Department of Energy. Det giver et vibrations- og statisk-frit miljø til elektronmikroskopi ved de højest mulige opløsninger.

"Det er en state-of-the-art elektronmikroskopi facilitet, " sagde Zhou. "Det giver et ultrastabilt miljø, så vi kan opnå billeder på atomniveau af materiale og samtidig erhverve kemisk information.

"Det er en fantastisk platform for forskning og uddannelse af den næste generation af materialeforskere."

Et bedre materiale til kondensatorer?

Til dette projekt, elektronmikroskopi-teamet kvantificerede beviset for, at linjefejl i et krystallinsk materiale kan øge den elektriske ydeevne, sagde Liu.

Tallene viste, at "dislokationerne i væsentlig grad kan ændre adfærden af ​​andre fine træk i materialet, " sagde Liu.

Tan sagde, at resultatet kunne have store konsekvenser for den elektriske kondensatorindustrien.

Der er hundredvis af kondensatorer i din mobiltelefon, og markedet for dem er enormt, sagde Tan. Det keramiske materiale, der er testet i dette projekt, er blevet meget brugt i kondensatorer, men det defekt-inducerede boost i elektrisk ydeevne kunne gøre det bedre. Det er også blyfrit og mindre giftigt end andre materialer.

Også, forskerne skrev, disse konstruerede linjefejl kan blive til "en anden suite af værktøjer til at skræddersy funktionelle materialer." Og denne "funktionelle høst" kunne være godt for vores elektronik, og endda vores miljø og sundhed.