Nogle piezoelektriske materialer kan være falske

Piezorespons kraftmikroskopi (PFM) er den mest udbredte teknik til karakterisering af piezoelektriske egenskaber på nanoskala, dvs. til bestemmelse af visse materialers evne til at generere elektricitet, når de udsættes for mekanisk belastning og deformeres som reaktion på en spænding. Piezoelektricitet bruges i en lang række applikationer, inklusive graviditetsultralyd, indsprøjtningsmotorer, sensorer, der måler deformationer, aktuatorer og sonar, blandt andre. Piezoresponskraftmikroskopi bestemmer ikke kun, om et materiale er piezoelektrisk, men også dens grad af piezoelektricitet, og det er især vigtigt for anvendelser af disse materialer inden for mikroelektronik og nanoteknologi.

Nu, et team af forskere fra Laboratory of Computational Methods and Numerical Analysis (LaCàN) ved Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC) og Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2) har teoretisk og eksperimentelt vist, at PFM-teknikken kan generere falske positive, når et materiales piezoelektricitet måles på nanoskala. PFM-teknikken består i at påføre en spænding på overfladen af ​​et materiale via en elektrisk ledende spids i et atomkraftmikroskop (AFM). Den mikroskopiske spids selv registrerer materialets deformation som reaktion på spænding; den piezoelektriske koefficient opnås ved at dividere deformationen med spændingen. Forskerne viser, imidlertid, at påføring af en spænding med en nanoskopisk spids kan generere deformationer i ethvert materiale, om det er piezoelektrisk eller ej. Med andre ord, ethvert materiale målt med et piezoresponse kraftmikroskop giver en piezoelektrisk koefficient uden nul, også selvom den ikke er piezoelektrisk.

Årsagen til denne mærkelige adfærd er flexoelektricitet, et fænomen, der opstår på nanoskala, hvor alt materiale udsender en lille spænding, når der påføres et inhomogent tryk på det, eller det deformeres, når et inhomogent elektrisk felt påføres det. Det er netop den slags felt, der genereres af mikroskopiske spidser.

Flexoelektricitet kan ikke kun få et materiale til at virke piezoelektrisk, men kan også ændre den piezoelektriske koefficient for de materialer, der er piezoelektriske. Dette har meget vigtige konsekvenser for karakteriseringen af ​​piezoelektriske enheder i mikroelektronik. Resultaterne tyder på, at fra nu af målinger foretaget med PFM for at karakterisere materialerne i disse enheder bør tage højde for effekten af ​​flexoelektricitet.

"Vi studerer flexoelektricitet fra et beregningsmæssigt synspunkt, som involverer mange fundamentale manifestationer af fysik, " forklarer LaCàN-forsker Irene Arias, tilføjer, "Vi har opdaget, at PFM-teknikken kan præsentere falske positiver, fordi den ikke kun måler piezoelektricitet, dvs. reaktionen på et elektrisk felt, men også flexoelektricitet. Vi har udviklet en model, der giver os mulighed for at kvantificere disse svar og, derfor, at adskille den piezoelektriske del fra den flexoelektriske del."