Parempia lyijyttömiä ferrosähköisiä

Arkansasin yliopiston professori Laurent Bellaichen ja fyysikkojen Kinnary Patelin ja Sergey Prosandeevin muodostaman tiimin tutkimus löysi keinon parantaa lyijyttömiä ferrosähköisiä komponentteja käyttämällä venytystä eli mekaanista voimaa kemiallisen prosessin sijaan.

Löytö voisi tuottaa lyijyttömiä ferrosähköisiä komponentteja, mikä avaa uusia mahdollisuuksia erityisesti ihmisiin istutettaville laitteille ja antureille.

Ferrosähköiset materiaalit ovat myös pietsosähköisiä. Tätä ominaisuutta voidaan käyttää kaikuluotaimissa, palotunnistimissa, pienissä matkapuhelimen kaiuttimissa tai mustesuihkutulostimen kirjaimia tarkasti muodostavissa toimilaitteissa.

Kaikkia näitä ominaisuuksia voidaan parantaa manipuloimalla ferroelektristen materiaalien faasirajaa.

Lyijypohjaisessa ferroelektrisessä materiaalissa, kuten lyijysirkonaattititanaatissa, koostumukset voidaan virittää kemiallisesti. Toisaalta lyijyttömät ferrosähköiset materiaalit sisältävät erittäin haihtuvia alkalimetalleja, jotka voivat kemiallisesti viritettäessä muuttua kaasuksi ja haihtua materiaalista.

Nyt tutkija käyttivät uutta lähestymistapaa ja loivat kalvon lyijyttömästä ferroelektrisestä materiaalista, natriumniobaatista (NaNbO3). Materiaalin tiedetään omaavan monimutkaisen kiteisen perusrakenteen huoneenlämmössä. Se on myös joustava. Tutkijat ovat jo pitkään tienneet, että natriumniobaatin lämpötilan muuttaminen voi tuottaa useita faaseja eli erilaisia atomien järjestyksiä.

Kemiallisen prosessin tai lämpötilan manipuloinnin sijaan tutkijat muuttivat natriumniobaatin atomien rakennetta venytysrasituksen avulla.

He kasvattivat ohuen natriumniobaatista koostuvan kalvon substraatille. Natriumniobaatin atomien rakenne supistuu ja laajenee, kun ne yrittävät mukautua substraatin atomien rakenteeseen. Prosessi luo rasitusta natriumniobaattiin.

"Natriumniobaatin kohdalla on varsin huomionarvoista se, että jos muutat pituutta hieman, faasit muuttuvat paljon", Bellaiche sanoi. 

Tutkijoiden yllätykseksi venytys aiheutti natriumniobaatille kolme eri faasia kerralla, mikä optimoi materiaalin hyödylliset ferroelektriset ominaisuudet luomalla enemmän raja-alueita.

"Ollakseni rehellinen, odotin, että jos muutamme venymää, se siirtyy yhdestä faasista toiseen. Mutta, että kolmeen samanaikaisesti", Bellaiche sanoi. "Tämä oli tärkeä löytö."

Kokeet tehtiin huoneenlämmössä. Seuraavaksi selvitetään, reagoiko natriumniobaatti rasitukseen samalla tavalla äärimmäisissä lämpötiloissa -270 °C:sta yli +1 000 °C:seen.

Aiheesta aiemmin:

Uutta tekniikkaa 2D-materiaalin venytyksellä

Pietsosähköisyyttä 2D-puolijohteessa