Bottom-up tilgang giver første karakterisering af pyroelektriske nanomaterialer

Ved at tage en "bottom-up" tilgang, forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign har for første gang observeret, at "størrelse betyder noget" med hensyn til "pyroelektricitet" - strømmen/spændingen udviklet som reaktion på temperatursvingninger, der muliggør teknologier såsom infrarøde sensorer, nattesyn, og energikonverteringsenheder, for at nævne et par stykker.

"Kontrol og manipulering af varme til applikationer såsom spildvarmeenergihøst, integrerede køleteknologier, elektronemission, og relaterede funktioner er et spændende fagområde i dag, " forklarede Lane Martin, en assisterende professor i materialevidenskab og teknik ved Illinois. "Traditionelt disse systemer har været afhængige af bulkmaterialer, men fremtidige enheder i nanoskala vil i stigende grad kræve ferroelektriske tynde film.

"Det er vanskeligt at måle den pyroelektriske respons af tynde film og har begrænset forståelsen af ​​pyroelektricitetens fysik, får nogle til at betegne det som "en af ​​de mindst kendte egenskaber ved faste materialer", " tilføjede Martin. "Dette arbejde giver den mest komplette og detaljerede modellering og eksperimentelle undersøgelse af denne vidt ukendte region af materialer og har direkte konsekvenser for næste generations enheder."

Forskere fandt ud af, at reduktion af dimensionerne af ferroelektrik øger deres følsomhed over for størrelses- og belastningsinducerede effekter. Gruppens papir, "Effekt af 90-graders domænevægge og termisk ekspansionsmismatch på de pyroelektriske egenskaber af epitaksial PbZr _0,2 Ti _0,8 O ₃ tynde film, " står i journalen Fysiske anmeldelsesbreve .

"Det, vi gjorde i dette arbejde, var at udvikle en ny tilgang til at bruge og forstå en klasse af materialer, der er vigtige for alle disse applikationer, " sagde Martin. "Ved at gå over til en 'bottom-up' tilgang, der producerer nanoskalaversioner af disse materialer som tynde film, vi har observeret, for første gang, at visse funktioner, nemlig domænevægge, kan være utrolig vigtig og endda dominere den temperaturafhængige respons og ydeevne af disse materialer."

Ifølge J. Karthik, den første forfatter på gruppens papir, tyndfilm-epitaksi er blevet udviklet til at give et sæt parametre (f.eks. filmkomposition, epitaksial belastning, elektriske grænseforhold, og tykkelse), der giver mulighed for præcis kontrol af ferroelektriske stoffer og har været medvirkende til at forstå fysikken i dielektriske og piezoelektriske effekter.

"Vi undersøgte bidraget af 90º domænevægge og termisk ekspansionsmismatch til pyroelektricitet i ferroelektrisk PbZr _0,2 Ti _0,8 O ₃ tynde film, et meget anvendt materiale, hvis bulk ferroelektriske og piezoelektriske egenskaber er velkendte, " forklarede Karthik. Som en del af dette arbejde, Martins Prometheus-forskningsgruppe udviklede og anvendte de første fænomenologiske modeller til at inkludere ydre og sekundære bidrag til pyroelektricitet i polydomænefilm og forudsige betydelige ydre bidrag (opstået fra den temperaturafhængige bevægelse af domænevægge) og store sekundære bidrag (som følge af uoverensstemmelse mellem termisk ekspansion mellem filmen og substratet).

"Vi har også udviklet og anvendt en ny fasefølsom pyroelektrisk strømmålingsproces til at måle tynde film for første gang og afsløre en dramatisk stigning i den pyroelektriske koefficient med stigende andel af in-plane orienterede domæner og termisk ekspansionsmismatch i overensstemmelse med disse modeller , " sagde Karthik.

"Ved at etablere en forståelse af videnskaben om disse effekter, med modeller til at forudsige deres præstationer, og demonstrerede teknikker til at fremstille og udnytte disse egenskaber i nanoskalaversioner af disse materialer, deres egenskaber kan effektivt integreres i eksisterende elektronik, " sagde Martin.