Eine neue Studie unter der Leitung der Rice University Materials Scientist Lane Martin beleuchtet, wie sich die extreme Miniaturisierung von Dünnfilmen auf das Verhalten von Relaxor-Ferroelektrika auswirkt-Materialien mit bemerkenswerten Energiekonversionseigenschaften, die in Sensoren, Aktuatoren und Nanoelektronik verwendet werden. Die Ergebnisse zeigen, dass sich ihre grundlegenden Eigenschaften auf unerwartete Weise verschieben können, wenn der Film auf Dimensionen schrumpft, die mit den internen Polarisationsstrukturen der Materialien vergleichbar sind.
Der Schwerpunkt der Studie veröffentlicht in Natur Nanotechnology ist Bleimagnnesium-Niobat-Führungs-Titanat oder PMN-PT, ein weit verbreitetes Keramikmaterial, das in Anwendungen vorkommt, die von medizinischen Bildgebung (Ultraschall) bis hin zu den Gassensoren und darüber hinaus reichen. In ihrem Streben, Licht darüber zu werfen, wie sich die interne Polarisationsstruktur von PMN-PT entwickelt und auf verschwundenen Maßstäben wirkt, machten die Forscher eine überraschende Entdeckung: Bevor er seine besonderen Fähigkeiten verlor, verbesserte sich das Material tatsächlich. Dieser unerwartete „Sweet Spot“ könnte die Tür für eine neue Generation nanoelektronischer Geräte öffnen.
Als ferroelektrischer Relaxor zeichnet sich PMN-PT bei der Umwandlung von Energie von einer Form in eine andere aus. Wenn Sie beispielsweise einen dünnen Film dieses Materials drücken, erzeugt es eine Spannung, während eine externe Spannung darauf verwendet wird. Auf atomarer Ebene besteht seine Struktur aus negativen und positiven Atomen, die sich relativ zueinander bewegen können, um lokale Dipole zu erzeugen. Diese Dipole richten sich nicht gleichmäßig über das Material aus; Stattdessen unterliegen sie konkurrierenden Energien – eine, die will, dass sie zufällig zeigen und eine andere, die sie in die gleiche Richtung ausrichten will. Das Ergebnis ist, dass das Material in polare Nanodomänen aufbricht – winzige Cluster, die nicht größer als ein kleines Virus sind, wobei alle Dipole in ungefähr der gleichen Richtung zeigen.
„Diese selbstorganisierten Polarisationsstrukturen im Material reagieren aufgrund der chemischen Komplexität des Materials und der Größe dieser Regionen stark auf externe Stimuli-bei ihren kleinsten Nanodomänen von PMN-PT sind nur 5-10 Nanometer“, sagte PMN-PT-Nanodomänen „, sagte die Nanometer von 5 bis 10“, sagte PMN-PT-Nanodomänen „, sagte die Nanometer von 5 bis 10“, sagte PMN-PT-Nanodomänen „, sagte die Nanometer von 5 bis 10“. Jieun Kim, Assistenzprofessor am Korea Advanced Institute of Science and Technology und der Erstautor der Studie. „Niemand wusste wirklich, was passieren würde, wenn wir das ganze Material auf seine Größe schrumpfen würden.“
Das Verständnis, wie Materialien in winzigen Maßstäben sich verhalten, ist entscheidend für die Weiterentwicklung der miniaturisierten Elektronik und anderer Anwendungen. Als Geräte schrumpfen, erfordern sie ultradünne Filme von Materialien wie PMN-PT, doch detaillierte Studien, die die Physik von Relaxoren auf sehr kleinen Längeskalen herausgebracht haben, sagte Kim, „wurde noch nie zuvor fertig.“
„Wir stellten die Hypothese auf, dass PMN-PT-Filme dünner wurden, ihre polaren Nanodomänen zusammen mit den wünschenswerten Eigenschaften des Materials schließlich schrumpfen und schließlich verschwinden würden“ . „Die Forschung bestätigte diese Erwartung, aber wir fanden auch etwas Unerwartetes.“
Anstatt sich sofort zu verschlechtern, entwickelte sich PMN-PT tatsächlich besser, wenn er auf einen genauen Bereich von 25 bis 30 Nanometern zurückgeschrumpft wurde-etwa 10.000-mal dünner als ein menschliches Haar. In dieser Skala wurde die Phasenstabilität des Materials – die Fähigkeit, seine Struktur und Funktionalität unter unterschiedlichen Bedingungen aufrechtzuerhalten – erheblich verbessert.
Um dieses verborgene Verhalten aufzudecken, verwendeten die Forscher einige der fortschrittlichsten wissenschaftlichen Instrumente der Welt. Bei der fortgeschrittenen Photonenquelle des Argonne National Laboratory feuerten Forscher ultrabrechte Röntgenstrahlen auf das Material ab, um seine Atomstruktur zu untersuchen. Diese Technik, die als Synchrotron-basierte Röntgenbeugung bekannt ist, ermöglichte es ihnen zu beobachten, wie sich die Nanodomänen beim Verdünnen des Materials entwickelten.
„Wir haben diese Ergebnisse mit Messungen der dielektrischen Eigenschaften, die wir in unserem Labor durchgeführt haben Unter Martin an der University of California, Berkeley. „Für die dünnsten Filme haben wir auch Molekular-Dynamik-Simulationen durchgeführt-im Grunde genommen die Dünnfilme in einem Computer neu erstellt-, um die strukturelle Entwicklung der polaren Nanodomänen zu untersuchen.“
Zusammen lieferten diese Ansätze das detaillierteste Bild, wie sich PMN-PT im Nanoskala verhält. Während viele Materialien ihre nützlichen Eigenschaften verlieren, wenn sie extrem klein gemacht werden, zeigt PMN-PT, wie die Forscher einen „Goldillocks Zone“ Größeneffekt nennen, bei dem sich ihre Eigenschaften tatsächlich verbessern, bevor sie sich schließlich verschlechtern. Das Verständnis dieses Effekts könnte den Weg für fortschrittliche Anwendungen wie nanoelektromechanische Systeme, Kapazitivenergiespeicher (Pulsantrieb), pyroelektrische Energieumwandlung, Magnettoelektrika mit niedriger Spannung und mehr ebnen.
Als nächstes planen die Forscher, zu untersuchen, wie das Stapeln von ultradünnen Schichten von PMN-PT und ähnlichen Materialien-wie der Aufbau eines „Pfannkuchenstapels“ verschiedener funktioneller Schichten-völlig neue Materialien mit Eigenschaften erzeugen kann, die in der Natur nicht existieren. Diese technischen Materialien könnten die Energieernte, die Sensoren mit geringer Leistung und Sensoren der nächsten Generation revolutionieren.
„Jetzt wissen wir, dass wir Geräte herstellen könnten, die kleiner und besser sind“, sagte Kim.
Die Forschung wurde vom Armeeforschungsbüro (W911NF-21-1-1-0118), dem Büro für Marineforschung (N00014-20-1-2701), der National Natural Science Foundation of China (51922100), The Youth Innovation Promotion Association, unterstützt der chinesischen Akademie der Wissenschaften (Y202048), dem Armeeforschungslabor (W911NF-24-2-0100), dem Air Force Office of Scientific Research (FA9550-24-1-0266) und der Advanced Photon Source, einem US-amerikanischen Energieministerium Office of Science User Facility vom Argonne National Laboratory (DE-AC02-06CH11357). Der Inhalt hierin liegt nur in der Verantwortung der Autoren und repräsentiert nicht unbedingt die offiziellen Ansichten der Geldgeber.
