Licht hervormt ferro-elektrische dunne films voor draadloze sensoren en micro-apparaten

Het potentieel van het gebruik van energiezuinig licht om ferro-elektrische dunne films voor micro-apparaten te vormen neemt toe, waarbij een internationaal team van onderzoekers recentelijk succes rapporteerde met ‘fotostrictie’.

Door licht geïnduceerde niet-thermische vervorming van materialen, of fotostrictie, heeft het voordeel dat fotonenenergie direct wordt omgezet in mechanische beweging, wat opwindende mogelijkheden biedt voor draadloze, door licht aangedreven sensoren en optomechanische apparaten, zegt Flinders University-onderzoeker Dr. Pankaj Sharma.

Sinds de ontdekking ervan in de jaren zestig hebben wetenschappers fotostrictie onderzocht in een breed scala aan materialen, van halfgeleiders en oxiden tot ferro-elektrische materialen en polymeren. Veel van deze systemen worden echter geconfronteerd met uitdagingen.

“Conventionele halfgeleiders reageren zwak, op lood gebaseerde materialen zorgen voor zorgen over het milieu, en sommige lichtgevoelige verbindingen zijn onstabiel”, zegt dr. Pankaj Sharma, hoofddocent natuurkunde aan de Flinders University, hoofd- en corresponderend auteur van een nieuw artikel gepubliceerd in ACS Nano.

Het artikel heeft de titel “Gigantische fotostrictie en optisch gemoduleerde ferro-elektriciteit in BiFeO₃.”

“Ferro-elektriciteit, de elektrische analogen van magneten, zijn veelbelovend, maar zijn meestal beperkt tot UV-licht, en epitaxiale dunne films die op substraten zijn gegroeid, worden beperkt door hun steunen”, zegt hij.

Nu heeft het onderzoeksteam grote fotostrictieve effecten aangetoond onder zichtbaar licht in onbeperkte dunne films van BiFeO₃-een multiferroïsch.

BiFeO₃of bismutferriet, is een anorganische verbinding met een perovskietstructuur die een multiferroïsch materiaal op kamertemperatuur is, wat betekent dat het zowel ferro-elektrische als antiferromagnetische eigenschappen vertoont. Het vermogen om de magnetische en elektrische eigenschappen te laten controleren door externe velden maakt het een veelbelovend materiaal voor nieuwe elektronische en spintronische apparaten, maar ook voor toepassingen zoals fotokatalyse en energieopslag.

De nieuwe studie toont aan dat deze nanogestructureerde films, gemaakt via een goedkoop, schaalbaar spray-pyrolyseproces, recordhoge door licht aangedreven spanningen vertonen met een opmerkelijk laag optisch vermogen.

“Licht kan de interne structuur en elektronische reacties van deze films nauwkeurig controleren”, zegt dr. Sharma van het College of Science and Engineering aan de Flinders University. “Dit wijst op een toekomst waarin micro-apparaten volledig door licht kunnen worden aangedreven en bediend.”

Dr. Haoze Zhang, postdoctoraal fellow en eerste auteur van het onderzoek aan de Flinders University, voegt hieraan toe: “Deze materialen zouden de basis kunnen vormen voor lichtgestuurde actuatoren, draadloze sensoren en zelfaangedreven optomechanische systemen.”

De sleutel ligt in onbeperkte nanokristallijne BiFeO₃ films, die een dicht netwerk van domeinmuren bevatten: atomair dunne grenzen binnen het kristal.

“Wanneer ze worden verlicht, scheiden deze muren op efficiënte wijze foto-geïnduceerde ladingsdragers, terwijl de nanokristallen vrijer bewegen en sterke elektromechanische reacties genereren”, legt Dr. Zhang uit.

“De resulterende fotostrictie is tot vijf keer groter dan die van bulk BiFeO₃ kristallen, die concurreren met geavanceerde halogenide-perovskieten, maar zonder hun stabiliteits- of toxiciteitsproblemen.”

Door de golflengte en intensiteit van het licht af te stemmen, demonstreerde het team een ​​fijne controle over piëzo-elektrische en ferro-elektrische eigenschappen, waardoor een veelzijdig platform ontstond voor energiezuinige, multifunctionele apparaten op nanoschaal.