Unik ferroelektrisk mikrostruktur afsløret for første gang

Et team af forskere har observeret og rapporteret for første gang den unikke mikrostruktur af et nyt ferroelektrisk materiale, der muliggør udviklingen af ​​blyfri piezoelektriske materialer til elektronik, sensorer og energilagring, der er sikrere til menneskelig brug. Dette arbejde blev ledet af Alem Group i Penn State og i samarbejde med forskerhold ved Rutgers University og University of California, Merced.

Ferroelektrik er en klasse af materialer, der demonstrerer en spontan elektrisk polarisering, når en ekstern elektrisk ladning påføres. Dette forårsager en spontan elektrisk polarisering, når positive og negative ladninger i materialerne går til forskellige poler. Disse materialer har også piezoelektriske egenskaber, hvilket betyder, at materialet genererer en elektrisk ladning under en påført mekanisk kraft.

Dette gør det muligt for disse materialer at lave elektricitet fra energi som varme, bevægelse eller endda støj, der ellers kunne være spildt. Derfor rummer de potentiale for alternativer til kulstofbaseret energi, såsom at høste energi fra spildvarme. Derudover er ferroelektriske materialer især nyttige til datalagring og hukommelse, da de kan forblive i én polariseret tilstand uden yderligere strøm, hvilket gør dem attraktive til energibesparende datalagring og elektronik. De bruges også i vid udstrækning i gavnlige applikationer såsom kontakter, vigtige medicinske anordninger som pulsmålere og ultralyd, energilagring og aktuatorer.

Men de stærkeste piezoelektriske materialer indeholder bly, hvilket er et stort problem, da bly er giftigt for mennesker og dyr.

"Vi ville elske at designe et piezoelektrisk materiale, der ikke har ulemperne ved de nuværende materialer," sagde Nasim Alem, Penn State lektor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab og undersøgelsens tilsvarende forfatter. "Og lige nu er bly i alle disse materialer en stor ulempe, fordi blyet er farligt. Vi håber, at vores undersøgelse kan resultere i en passende kandidat til et bedre piezoelektrisk system."

For at udvikle en vej til et sådant blyfrit materiale med stærke piezoelektriske egenskaber arbejdede forskerholdet med calciummanganat, Ca₃ Mn₂ O₇ (CMO). CMO er et nyt hybrid ukorrekt ferroelektrisk materiale med nogle interessante egenskaber.

"Designprincippet for dette materiale er at kombinere bevægelsen af ​​materialets lille oxygen-oktaedre," sagde Leixin Miao, doktorgradskandidat i materialevidenskab og førsteforfatter af undersøgelsen i Nature Communications . "I materialet er der oktaedre af iltatomer, der kan vippe og rotere. Udtrykket "hybrid ukorrekt ferroelektrisk" betyder, at vi kombinerer rotationen og hældningen af ​​oktaedrene for at producere ferroelektricitet. Det betragtes som en "hybrid", fordi det er kombination af to bevægelser af oktaedrene, der genererer den polarisering for ferroelektricitet. Det betragtes som et "ukorrekt" ferroelektrisk, da polariseringen genereres som en sekundær effekt."

Der er også en unik egenskab ved CMO's mikrostruktur, som er noget af et mysterium for forskere.

"Ved stuetemperatur er der nogle polære og ikke-polære faser, der sameksisterer ved stuetemperatur i krystallen," sagde Miao. "Og de sameksisterende faser menes at være korreleret med negativ termisk ekspansionsadfærd. Det er velkendt, at et materiale normalt udvider sig, når det opvarmes, men dette krymper. Det er interessant, men vi ved meget lidt om strukturen, som hvordan de polære og ikke-polære faser eksisterer side om side."

For bedre at forstå dette brugte forskerne transmissionselektronmikroskopi i atomskala.

"Hvorfor vi brugte elektronmikroskopi er, fordi vi med elektronmikroskopi kan bruge atomskalasonder til at se det nøjagtige atomarrangement i strukturen," sagde Miao. "Og det var meget overraskende at observere de dobbeltlagede polære nanoregioner i CMO-krystallerne. Så vidt vi ved, er det første gang, at en sådan mikrostruktur blev afbildet direkte i de lagdelte perovskitmaterialer."

Før blev det aldrig observeret, hvad der sker med et materiale, der gennemgår en sådan ferroelektrisk faseovergang, ifølge forskerne. Men med elektronmikroskopi kunne de overvåge materialet og hvad der skete under faseovergangen.

"Vi overvågede materialet, hvad der foregår under faseovergangen og var i stand til at undersøge atom for atom ved hvilken type binding vi har, hvilken type strukturelle forvrængninger vi har i materialet, og hvordan det kan ændre sig som funktion af temperatur," sagde Alem. "Og dette forklarer i høj grad nogle af de observationer, som folk har haft med dette materiale. For eksempel, når de får den termiske udvidelseskoefficient, har ingen rigtig vidst, hvor det kommer fra. Dybest set gik det ned på atomniveau og forstå den underliggende atomskala fysik, kemi og også faseovergangens dynamik, hvordan den ændrer sig."

Dette vil igen muliggøre udviklingen af ​​blyfri, kraftfulde piezoelektriske materialer.

"Forskere har forsøgt at finde nye veje til at opdage blyfri ferroelektriske materialer til mange gavnlige anvendelser," sagde Miao. "Eksistensen af ​​de polære nanoregioner anses for at gavne de piezoelektriske egenskaber, og nu viste vi, at vi via defektteknik muligvis er i stand til at designe nye stærke piezoelektriske krystaller, der i sidste ende ville erstatte alle blyholdige materialer til ultralyds- eller aktuatorapplikationer."

Karakteriseringsarbejdet, der afslørede disse aldrig før sete processer i materialet, blev udført på Materials Research Institutes faciliteter i Millennium Science Complex. Dette omfattede eksperimenter med multiple transmissionselektronmikroskoper (TEM), der gjorde det muligt at se det aldrig før sete.

En anden fordel ved undersøgelsen var gratis software udviklet af forskerholdet, EASY-STEM, som muliggør lettere TEM-billeddatabehandling. Dette kan potentielt forkorte den tid, der er nødvendig for at fremme videnskabelig forskning og flytte den til praktisk anvendelse.

"Softwaren har en grafisk brugergrænseflade, der giver brugerne mulighed for at indtaste med museklik, så folk behøver ikke at være eksperter i kodning, men stadig kan generere fantastiske analyser," sagde Miao. + Udforsk yderligere

Datadrevet opdagelse af NbOI2 som en højtydende lagdelt piezoelektrik