Kesän aikana käännettyä

Carnegie Mellon Universityn ja Penn State Universityn tutkijoiden ryhmä tutkii materiaaleja, jotka voisivat mahdollisesti johtaa muistin integroimiseen suoraan transistorin päälle.

Ferrosähköisillä wurtsiiteilla on potentiaalia mullistaa nykyaikainen mikroelektroniikka, koska ne on helppo integroida useisiin valtavirran puolijohdealustoihin. Kuitenkin sähkökenttää, joita tarvitaan polarisaatiosuunnan kääntämiseen ja elektronisten ja optisten toimintojen avaamiseen, on vähennettävä huomattavasti, jotta ne olisivat toiminnallisia yhteensopivia CMOS-tekniikan kanssa.

Materiaalilla on spontaani sähköinen polarisaatio, joka voidaan kääntää ulkoisen sähkökentän avulla. Yksi aiheen suurimmista haasteista on, että toiminnan edellyttämien sähkökenttien ja läpilyöntikentän välinen rako on hyvin pieni.

Tutkimuksessa saavutettiin kuitenkin atomitasoinen polarisaation vaihtokytkentä ferrosähköisissä wurtsiitti-materiaaleissa. Tutkimuksen edetessä tavoitteena on skaalata materiaalit sellaiselle tasolle, että niitä voidaan käyttää nykyaikaisessa mikroelektroniikassa.

Kesän kuluessa kiinalaiset tutkijat ovat puolestaan kääntäneet materiaalin lämpölaajenemisen suuntaa magneettikentän avulla.

Materiaalien lämpölaajenemiskertoimesta (CTE) on yleensä vastuussa hilavärähtelyn epäharmonisuus. Ulkoiset ärsykkeet, kuten magneetti- ja sähkökentät, eivät siten voi muuttaa tehokkaasti vaikuttaa CTE:tä. Normaalisti lämpölaajenemiskerrointa voi muuttaa jonkin verran materiaalin aineseostuksilla mutta merkin muutos on jo aivan uusi ilmiö.

Tutkijat saivat ilmiön aikaan DyCrO4-yhdisteessä. He arvelevat merkkimuutoksen aiheutuvan vahvasta spin-hilakytkennästä. Saavutus avaa tavan hallita lämpölaajenemista tavanomaisen kemiallisen korvaamisen lisäksi.

Japanin Nagoyan yliopistossa tutkijat ovat kehittäneet kaksiulotteisista korkean k-arvon perovskiittilevyistä kondensaattorirakenteen, jolla on korkein tähän mennessä esitetty energian varastointikyky.

Dielektrisillä kondensaattoreilla on suurempi tehotiheys kuin akuilla. Ne antavat kuitenkin melko alhaisen energiatiheyden verrattuna muihin energian varastointilaitteisiin, kuten akkuihin ja superkondensaattoreihin.

"Perovskiittirakenne tunnetaan parhaana ferrosähköisenä rakenteena, koska sillä on erinomaiset dielektriset ominaisuudet, kuten korkea polarisaatio", professori Minoru Osada kertoo. "Huomasimme, että käyttämällä tätä ominaisuutta vahvaa sähkökenttää voitaisiin soveltaa korkean polarisaation dielektrisiin materiaaleihin ja konvertoida sähköstaattiseksi energiaksi ilman häviötä, jolloin saavutetaan suurin koskaan tallennettu energiatiheys."

Näin tutkijat saattoivat esitellä rationaalisen lähestymistavan erittäin korkean energian varastointikondensaattorien suunnitteluun käyttämällä kaksiulotteisia (2D) korkean κ-arvon dielektrisiä perovskiitteja (Ca2Nam–3NbmO3m+1).

Monikerroksisilla pinotuilla nanoarkkikondensaattoreilla on erittäin korkea energiatiheys (174–272 Jcm –3 ), korkea hyötysuhde (> 90 %), erinomainen luotettavuus ja lämpötilastabiilisuus. Suurin energiatiheys on paljon suurempi kuin tavanomaisten dielektristen materiaalien ja jopa verrattavissa litiumioniakkujen vastaaviin.

Aiheista aiemmin:

Transistoreita uusille piiriarkkitehtuureille

Monipuolinen ferrosähköisyys