Materiaalin atomijärjestelyn uudelleen maalaus

Mikä on paras tapa muokata materiaalin ominaisuuksia tarkasti haluttuun tilaan? Penn Staten tutkijoiden johtaman ryhmän mukaan se saattaa olla rasittamalla materiaalin atomijärjestelyä.

Tiimi havaitsi, että edistyneessä elektroniikassa käytetyn kaliumniobaatin "atomisuihkumaalaus," voi virittää tuloksena olevat ohuet kalvot toimimaan erinomaisella ohjauksella.

Havainto voisi edistää ympäristöystävällistä kehitystä kulutuselektroniikassa, lääkinnällisissä laitteissa ja kvanttilaskennassa, tutkijat sanovat. 

Prosessi, jota kutsutaan jännitysviritykseksi, muuttaa materiaalin ominaisuuksia venyttämällä tai puristamalla sen atomistista yksikkösolua (alkeiskoppia), josta atomit rakentavat materiaalin kiderakennetta. Tutkijat käyttävät molekyylisuihkuepitaksia (MBE), tekniikkaa, jossa kerrostetaan atomikerros substraatille ohuen kalvon muodostamiseksi. Tässä tapauksessa he tuottivat ohuen kalvon jännitysviritettyä kaliumniobaattia. 

"Tämä oli ensimmäinen kerta, kun kaliumniobaattia on kasvatettu MBE:llä", Gopalan sanoi. "Tekniikka on kuin atomien ruiskumaalausta pinnalle."

Tutkijoiden mukaan uusi MBE-tekniikka - yhdessä substraattimallina toimivan kiteen kanssa - luo materiaalin virittämiseen tarvittavan jännityksen. 

"Tämä menetelmä antaa ohuiden kalvojen atomien mukautua alla olevan substraatin atomirakenteeseen, mikä aiheuttaa jännitystä", sanoi toinen kirjoittaja Sankalpa Hazra. ”Pienikin noin 1 %:n venytys voi aiheuttaa painetta, jota olisi mahdoton saavuttaa yksinkertaisesti vetämällä tai puristamalla näin haurasta materiaalia ulkopuolelta. Tämä paine voi merkittävästi parantaa materiaalin toimintaa ferrosähköisestä näkökulmasta."

"Kaliumniobaatin jännityksen ja sen polarisaation erittäin vahva kytkentä muihin ferrosähköihin verrattuna mahdollistaa ainutlaatuisen mahdollisuuden, jossa suhteellisen pienet jännitysmäärät voivat johtaa sekä ferrosähköisen rakenteen että sen polarisaation jättimäiseen viritykseen", Hazra sanoi.

"Tämän ylivoimaisen jännitysherkkyyden ensisijainen seuraus on, että kaliumniobaatin ferrosähköistä suorituskykyä voidaan parantaa huomattavasti jopa ylittäen lyijytitanaatin tai lyijyzirkonaattititanaatin, joita pidetään teollisuuden standarditasoina ferrosähköisyyden laitesovelluksissa."

Hazra sanoi, että kaliumniobaatin vahvan jännitysvirityksen osoittaminen on erityisen huomionarvoista, koska kaliumniobaatti on lyijytön.

Ilman jännityssäätöä kaliumniobaatin ferrosähköiset ominaisuudet eivät yleensä ole yhtä vahvoja kuin sen lyijysähköiset ominaisuudet, mutta Hazra sanoi, että nykyinen tutkimus osoittaa kaliumniobaatin potentiaalin vahvana, mutta ympäristöystävällisenä ja turvallisena ferrosähköisenä materiaalina. 

"Olemme työssämme osoittaneet, että jännitys voi nostaa lämpötilaa, jossa materiaali menettää ferrosähköisiä ominaisuuksiaan", Gopalan sanoi. "Mutta vieläkin vaikuttavampaa on, että voimme nostaa lämpötilan 700 Celsius-asteeseen vain yhden prosentin jännityksellä, mikä on lähellä pistettä, jossa materiaali alkaa hajota."

Seuraavaksi tutkijoiden on voitettava "vakava este" käytännön sovelluksille: näiden ohuiden kalvojen kasvattaminen elektroniikkateollisuudessa laajalti käytetylle piille.

"Jatkokehityksen myötä tästä materiaalin uudesta versiosta voi tulla avaintekijä seuraavan sukupolven vihreissä, korkean suorituskyvyn teknologioissa, jotka vaikuttavat kaikkeen henkilökohtaisista laitteistamme avaruustutkimukseen", Gopalan sanoi.

Aiheesta aiemmin:

Valo voisi ajaa jäähdytyssykliä ferrosähköisissä materiaaleissa

Monipuolinen ferrosähköisyys

Uutta tekniikkaa 2D-materiaalin venytyksellä