Miniaturisatie van dunne films onthult ‘Goldilocks Zone’ in Relaxor Ferroelectrics

Een nieuwe studie onder leiding van Rice University Materials Scientist Lane Martin werpt licht op hoe de extreme miniaturisatie van dunne films het gedrag van relaxor-ferro-elektriciteit beïnvloedt-materialen met opmerkelijke energie-conversie-eigenschappen die worden gebruikt in sensoren, actuatoren en nano-elektronica. De bevindingen onthullen dat naarmate de film krimpt tot dimensies die vergelijkbaar zijn met de interne polarisatiestructuren van de materialen, hun fundamentele eigenschappen op onverwachte manieren kunnen verschuiven.

De focus van de studie gepubliceerd in Natuurnanotechnologie is lood magnesium niobaat-lead-titanaat, of PMN-PT, een veel gebruikt keramisch materiaal dat wordt aangetroffen in toepassingen variërend van medische beeldvorming (echografie) en energieoogst tot gassensoren en daarna.

In hun zoektocht om licht te werpen op hoe de interne polarisatiestructuur van PMN-PT evolueert en werkt op verdwijnende kleine schalen, deden de onderzoekers een verrassende ontdekking: voordat ze zijn speciale vaardigheden verloren, verbeterde het materiaal eigenlijk. Deze onverwachte “sweet spot” kan de deur openen voor een nieuwe generatie nano -elektronische apparaten.

Als een ferro-elektrische relaxor blinkt PMN-PT uit in het omzetten van energie van de ene vorm naar de andere. Als u bijvoorbeeld op een dunne film van dit materiaal drukt, wordt een spanning genereert, terwijl het toepassen van een externe spanning erop van vorm verandert. Op atomair niveau bestaat de structuur ervan uit negatieve en positieve atomen die zich kunnen verplaatsen ten opzichte van elkaar om lokale dipolen te creëren. Deze dipolen lijnen niet uniform uit elkaar over het materiaal; In plaats daarvan zijn ze onderworpen aan concurrerende energieën – een die wil dat ze willekeurig wijzen en een andere die ze wil afstemmen op dezelfde richting.

Het resultaat is dat het materiaal uiteenvalt in polaire nanodomeinen – tiny clusters niet groter dan een klein virus, waarbij alle dipolen in ongeveer dezelfde richting wijzen.

“Deze zelf-geassembleerde structuren van polarisatie in het materiaal zijn zeer reageren op externe stimuli vanwege de chemische complexiteit van het materiaal en de grootte van deze gebieden-in hun kleinste, PMN-PT nanodomeinen zijn slechts 5-10 nanometers,” zei Jieun, ” Kim, universitair docent aan het Korea Advanced Institute of Science and Technology en de eerste auteur van de studie. “Niemand wist echt wat er zou gebeuren als we het hele materiaal tot hun grootte krimpen.”

Inzicht in hoe materialen zich op kleine schalen gedragen, is van cruciaal belang voor het bevorderen van geminiaturiseerde elektronica en andere toepassingen. Naarmate apparaten krimpen, vereisen ze ultrathinefilms van materialen zoals PMN-PT, maar gedetailleerde studies die de fysica van relaxors in kaart brengen op zeer kleine lengteschalen waren “nog nooit eerder gedaan”, zei Kim.

“Onze hypothese was dat naarmate PMN-PT-films dunner werden, hun pool nanodomeinen zouden krimpen en uiteindelijk verdwijnen samen met de gewenste eigenschappen van het materiaal”, zei Martin, de Robert A. Welch professor van Materials Science en nano-engineering en directeur van het Rice Advanced Materials Institute . “Het onderzoek bevestigde deze verwachting, maar we vonden ook iets onverwachts.”

In plaats van onmiddellijk te verslechteren, presteerde PMN-PT eigenlijk beter wanneer hij werd verkleind tot een nauwkeurig bereik van 25-30 nanometer-ongeveer 10.000 keer dunner dan een menselijk haar. Op deze schaal werd de fasestabiliteit van het materiaal – het vermogen om zijn structuur en functionaliteit onder verschillende omstandigheden te handhaven – aanzienlijk verbeterd.

Om dit verborgen gedrag te ontdekken, gebruikten de onderzoekers enkele van ’s werelds meest geavanceerde wetenschappelijke hulpmiddelen. Bij de geavanceerde fotonbron bij Argonne National Laboratory schoten onderzoekers ultrabright röntgenstralen op het materiaal om de atoomstructuur te onderzoeken. Met deze techniek, bekend als op röntgendiffractie op basis van synchrotron, konden ze observeren hoe de nanodomeinen evolueerden naarmate het materiaal werd verdund.

“We hebben deze bevindingen gecorreleerd met metingen van diëlektrische eigenschappen die we in ons lab hebben uitgevoerd en de foto afgerond met scanning transmissie-elektronenmicroscopie om polarisatie in kaart te brengen met resolutie op atoomniveau,” zei Kim, die het project vier jaar geleden begon als een doctoraatsstudent Onder Martin aan de Universiteit van Californië, Berkeley. “Voor de dunste films hebben we ook moleculaire-dynamics-simulaties uitgevoerd-in evenwicht in een dunne films in een computer-om de structurele evolutie van de polaire nanodomeinen te bestuderen.”

Samen boden deze benaderingen het meest gedetailleerde beeld tot nu toe van hoe PMN-PT gedraagt ​​op nanoschaal. Hoewel veel materialen hun nuttige eigenschappen verliezen wanneer ze extreem klein worden gemaakt, vertoont PMN-PT wat de onderzoekers een “Goldilocks Zone” -grootte-effect noemen, waarbij de eigenschappen daadwerkelijk verbeteren voordat ze uiteindelijk verslechteren. Inzicht in dit effect kan de weg vrijmaken voor geavanceerde toepassingen zoals nano-elektromechanische systemen, capacitieve energieopslag (gepulseerd vermogen), pyro-elektrische energieconversie, laagspanningsmagneto-elektricum en meer.

Vervolgens zijn de onderzoekers van plan te onderzoeken hoe het stapelen van ultrathinelagen van PMN-PT en soortgelijke materialen-zoals het bouwen van een “pannenkoekstapel” van verschillende functionele lagen-volledig nieuwe materialen kunnen creëren met eigenschappen die niet in de natuur bestaan. Deze ontwikkelde materialen kunnen een revolutie teweegbrengen in het oogsten van energie, low-power computing en sensoren van de volgende generatie.

“Nu weten we dat we apparaten kunnen maken die kleiner en beter zijn,” zei Kim.