Door ferro-elektrische ‘bellen’ intact te houden, maken onderzoekers de weg vrij voor nieuwe apparaten

Als een goochelaar plotseling een tafelkleed van een tafel met borden en glazen trekt, is er een moment van spanning als het publiek zich afvraagt ​​of het podium binnenkort bezaaid zal zijn met gebroken glas. Tot nu toe stonden wetenschappers voor een analoog dilemma die met speciale elektrische bubbels werkten om de volgende generatie flexibele micro-elektronische en energieopslagapparaten te creëren.

Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een nieuwe manier ontdekt om een ​​atomaire versie van de tafelkleedtruc uit te voeren door dunne heterostructuurfilms met elektrische bellen van een bepaald onderliggend materiaal of substraat af te pellen, terwijl ze behouden blijven. volledig intact. De ontdekking kan ons een stap dichter bij een groot aantal toepassingen brengen die afhankelijk zijn van deze ongebruikelijke en broze structuren.

“Je kunt het zien alsof je probeert een huis van zijn fundament te halen. Normaal zou je denken dat het huis zou instorten, maar we ontdekten dat het al zijn eigenschappen behield”, zegt Saidur Bakaul, materiaalwetenschapper bij Argonne.

“De bubbels zijn erg kwetsbaar en hebben in eerste instantie bepaalde onderliggende materialen nodig, substraten genaamd, en specifieke omstandigheden om films mee te laten groeien”, zegt materiaalwetenschapper Saidur Bakaul van Argonne. “Er zijn veel materialen die voor ons interessant zijn waarvoor deze bubbels heel nuttig kunnen zijn, zoals plastics. We hebben ze echter niet direct op deze materialen kunnen kweken. Ons onderzoek is de eerste stap om daar bubbels mogelijk te maken.”

De elektrische bellen bevinden zich in een ultradunne structuur met drie lagen met afwisselende elektrische eigenschappen: ferro-elektrisch, dan diëlektrisch, dan weer ferro-elektrisch. De bubbels in deze meerlagige structuur zijn gemaakt van speciaal bestelde dipolen, of gekoppelde elektrische ladingen. De oriëntatie van deze dipolen is gebaseerd op de lokale spanning in het materiaal en de ladingen op het oppervlak die ervoor zorgen dat de dipolen hun relatief laagste energietoestand opzoeken. Uiteindelijk vormen zich de elektrische bellen (bubbeldomeinen), maar alleen als aan bepaalde voorwaarden wordt voldaan. Ze worden ook gemakkelijk vervormd door zelfs kleine krachten.

In het experiment groeiden Bakauls collega’s aan de Universiteit van New South Wales eerst de bubbels in een ultradunne heterostructuurfilm op een strontiumtitanaatsubstraat – een van de gemakkelijkste materialen om ze op te maken. Vervolgens stond Bakaul voor de uitdaging om de heterostructuur van het substraat te verwijderen met behoud van de bellen. “Je kunt het zien als proberen een huis van de grond af te halen”, zei hij. “Normaal zou je denken dat het huis zou instorten, maar we ontdekten dat het al zijn eigenschappen behield.”

Bubble-domeinen zijn klein. Ze zijn slechts ongeveer 4 nanometer in straal – net zo breed als een menselijke DNA-streng. Daarom zijn ze moeilijk te zien. In de Materials Science-divisie van Argonne stellen geavanceerde scanningsondemicroscopietechnieken met Fourier-transformatieanalyse wetenschappers in staat om ze niet alleen te zien, maar ook om hun eigenschappen in de vrijstaande films te kwantificeren.

Om vast te stellen dat de bellendomeinen intact bleven, mat Bakaul hun elektronische (capaciteit) en piëzo-elektrische eigenschappen door middel van twee microscopietechnieken: scanning microgolfimpedantiemicroscopie en piëzoresponskrachtmicroscopie. Als de bellen waren uiteengevallen, zou de capaciteit zijn veranderd onder een aangelegde spanning, maar Bakaul zag dat deze relatief stabiel bleef tot een vrij hoge spanning.

Deze experimenten valideerden numerieke schattingen van capaciteit verkregen uit theoretische analyses die Bakaul en zijn student ontwikkelden door atomistische simulaties te combineren met circuittheorie. “De combinatie van experiment en simulatie bewees onomstotelijk dat deze bubbels in staat zijn om te leven, zelfs als ze van het oorspronkelijke substraat worden verwijderd. Dat was iets waar we lang op hadden gehoopt”, zei Bakaul.

Toen de bubbels werden verwijderd, kreeg de heterostructuurfilm – die voorheen plat lag als een tafelkleed – plotseling een gegolfd uiterlijk. Terwijl Bakaul opmerkte dat velen zouden kunnen aannemen dat deze verandering de eigenschappen van de bubbels zou aantasten, ontdekte hij dat de bubbels feitelijk werden beschermd door een verandering in de ingebouwde spanning van de materialen. Atomistische simulaties gedaan door Bakaul’s collega’s aan de Universiteit van Arkansas suggereerden dat de elastische energie aan de vrije interfaces de oorsprong is van de rimpelvorming.

Het resultaat is volgens Bakaul opwindend, omdat deze bubbels ongebruikelijke en intrigerende elektrische en mechanische eigenschappen hebben. “Ferro-elektrische bubbels zijn nieuw ontdekte objecten op nanoschaal”, zei hij. “Er is een consensus in de gemeenschap dat ze veel toepassingen kunnen hebben. Transformatie van deze bubbels resulteert bijvoorbeeld in een ongewoon hoge elektromechanische respons, die toepassingen kan hebben in een breed scala aan apparaten in micro-elektronica en energietoepassingen.”

Hoewel het de fysica is en niet de magie die een potentiële nieuwe weg heeft gecreëerd voor de integratie van deze bubbels, gaf Bakaul aan dat nieuwe technologieën die erop gebaseerd zijn een transformerende impact kunnen hebben. “Of we het nu hebben over energieoogstmachines of supercomputers, deze bubbels kunnen een groot verschil maken voor veel verschillende materialen en toepassingen”, zei hij.

Een paper op basis van het onderzoek werd gepubliceerd in het nummer van 19 september van: Geavanceerde materialen.