Onderzoek naar het regime tussen de nano- en microschaal zou de weg kunnen vrijmaken voor nanotechnologieën

In elektronische technologieën veranderen belangrijke materiaaleigenschappen als reactie op stimuli zoals spanning of stroom. Wetenschappers proberen deze veranderingen te begrijpen in termen van de structuur van het materiaal op nanoschaal (een paar atomen) en microschaal (de dikte van een stuk papier). Vaak wordt het gebied tussen de mesoschaal verwaarloosd, dat zich uitstrekt van 10 miljardste tot 1 miljoenste van een meter.

Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE), in samenwerking met Rice University en het Lawrence Berkeley National Laboratory van het DOE, hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt in het begrijpen van de mesoschaaleigenschappen van een ferro-elektrisch materiaal onder een elektrisch veld. Het onderzoek is gepubliceerd in het dagboek Wetenschap.

Deze doorbraak biedt mogelijkheden voor vooruitgang op het gebied van computergeheugen, lasers voor wetenschappelijke instrumenten en sensoren voor uiterst precieze metingen.

Het ferro-elektrische materiaal is een oxide dat een complex mengsel van lood, magnesium, niobium en titanium bevat. Wetenschappers noemen dit materiaal een relaxor ferro-elektrisch. Het wordt gekenmerkt door kleine paren positieve en negatieve ladingen, of dipolen, die zich groeperen in clusters die “polaire nanodomeinen” worden genoemd.

Onder een elektrisch veld richten deze dipolen zich in dezelfde richting uit, waardoor het materiaal van vorm verandert of rekt. Op dezelfde manier kan het toepassen van een rekking de dipoolrichting veranderen, waardoor een elektrisch veld ontstaat.

“Als je een materiaal op nanoschaal analyseert, leer je alleen over de gemiddelde atomaire structuur binnen een ultraklein gebied,” zei Yue Cao, een natuurkundige van Argonne. “Maar materialen zijn niet per se uniform en reageren niet op dezelfde manier op een elektrisch veld in alle delen. Dit is waar de mesoschaal een completer beeld kan schetsen door de nano- naar microschaal te overbruggen.”

Een volledig functioneel apparaat op basis van een relaxor ferroelectric werd geproduceerd door de groep van professor Lane Martin aan de Rice University om het materiaal te testen onder bedrijfsomstandigheden. Het hoofdbestanddeel is een dunne film (55 nanometer) van de relaxor ferroelectric ingeklemd tussen nanoschaallagen die dienen als elektroden om een ​​spanning aan te brengen en een elektrisch veld te genereren.

Met behulp van bundellijnen in sectoren 26-ID en 33-ID van Argonne’s Advanced Photon Source (APS) brachten de teamleden van Argonne de mesoschaalstructuren binnen de relaxor in kaart.

De sleutel tot het succes van dit experiment was een gespecialiseerde mogelijkheid genaamd coherente röntgennano-diffractie, beschikbaar via de Hard X-ray Nanoprobe (Beamline 26-ID) die wordt beheerd door het Center for Nanoscale Materials bij Argonne en de APS. Beide zijn gebruikersfaciliteiten van het DOE Office of Science.

De resultaten laten zien dat de nanodomeinen zichzelf assembleren in mesoschaalstructuren die bestaan ​​uit dipolen die zich in een complex tegelachtig patroon uitlijnen, onder een elektrisch veld. Het team identificeerde de reklocaties langs de grenzen van dit patroon en de regio’s die sterker reageren op het elektrische veld.

“Deze submicroschaalstructuren vertegenwoordigen een nieuwe vorm van nanodomein-zelfassemblage die voorheen niet bekend was,” merkte John Mitchell op, een Argonne Distinguished Fellow. “Verbazingwekkend genoeg konden we hun oorsprong helemaal terugvoeren tot onderliggende nanoschaal-atomaire bewegingen…”

“Onze inzichten in mesoschaalstructuren bieden een nieuwe benadering voor het ontwerp van kleinere elektromechanische apparaten die op manieren werken die we niet voor mogelijk hielden”, aldus Martin.

“Hoe helderder en coherenter Röntgenstralen “Dankzij de recente APS-upgrade kunnen we ons apparaat blijven verbeteren”, aldus Hao Zheng, hoofdauteur van het onderzoek en beamlinewetenschapper bij de APS.

“Vervolgens kunnen we beoordelen of het apparaat toepasbaar is voor energiezuinige micro-elektronica, zoals neuromorfisch computergebruik gemodelleerd naar het menselijk brein.” Micro-elektronica met een laag vermogen is essentieel om te voldoen aan de steeds grotere vraag naar energie van elektronische apparaten over de hele wereld, waaronder mobiele telefoons, desktopcomputers en supercomputers.