Studie identifiziert leistungsstarke Alternative zu herkömmlichen Ferroelektrika

Einen Gasgrill anzünden, Ultraschall verwenden, eine Ultraschallzahnbürste verwenden: Bei diesen Aktionen werden Materialien verwendet, die elektrische Spannung in eine Formänderung umwandeln können und umgekehrt.

Die als Piezoelektrizität bekannte Fähigkeit, mechanische Spannung und elektrische Ladung auszutauschen, kann in großem Umfang in Kondensatoren, Aktoren, Wandlern und Sensoren wie Beschleunigungsmessern und Gyroskopen für die Elektronik der nächsten Generation genutzt werden. Die Integration dieser Materialien in miniaturisierte Systeme war jedoch schwierig, da elektromechanisch aktive Materialien im Submikrometerbereich dazu neigen, durch das Material, mit dem sie verbunden sind, „zusammengeklemmt“ zu werden sind angehängt. , was ihre Leistung erheblich verringert.

Forscher der Rice University und Mitarbeiter der University of California, Berkeley, haben herausgefunden, dass eine Klasse elektromechanisch aktiver Materialien namens Antiferroelektrika der Schlüssel zur Überwindung von Leistungsbeschränkungen aufgrund der Klemmung in miniaturisierten elektromechanischen Systemen sein könnte.

Eine neue Studie veröffentlicht in Natürliche Materialien berichtet, dass ein antiferroelektrisches Modellsystem, Bleizirkonat (PbZrO), entwickelt wurde₃) erzeugt eine elektromechanische Reaktion, die bis zu fünfmal größer sein kann als die herkömmlicher piezoelektrischer Materialien, selbst in Filmen mit einer Dicke von nur 100 Nanometern (oder 4 Millionstel Zoll).

„Wir verwenden seit Jahrzehnten piezoelektrische Materialien“, sagte Lane Martin, Materialwissenschaftler bei Rice und korrespondierender Autor der Studie. „In letzter Zeit gab es starke Bestrebungen, diese Materialien weiter in neue Arten von sehr kleinen Geräten zu integrieren, wie man es beispielsweise für einen Mikrochip tun möchte, der in einem Telefon oder Computer untergebracht ist. Das Problem ist, dass diese Materialien im Allgemeinen einfach sind.“ in diesen kleinen Maßstäben weniger verwendbar.

Nach aktuellen Industriestandards gilt ein Material als sehr gut elektromechanisch, wenn es als Reaktion auf ein elektrisches Feld eine Formänderung (oder Verformung) von 1 % erfahren kann. Bei einem Objekt mit einer Länge von 100 Zoll entspricht beispielsweise eine Länge von 1 Zoll mehr oder weniger einer Belastung von 1 %.

„Aus materialwissenschaftlicher Sicht ist dies eine wichtige Antwort, da sich die meisten harten Materialien nur um einen Bruchteil eines Prozents verändern können“, sagte Martin, Robert A. Welch-Professor, Professor für Materialwissenschaften und Nanotechnik und Direktor von Rice Advanced. Materialinstitut.

Wenn herkömmliche piezoelektrische Materialien auf Systeme mit einer Größe im Submikrometerbereich (1.000 Nanometer) verkleinert werden, verschlechtert sich ihre Leistung aufgrund von Substratinterferenzen typischerweise erheblich, wodurch ihre Fähigkeit, als Reaktion auf ein elektrisches Feld ihre Form zu ändern oder umgekehrt als Reaktion eine Spannung zu erzeugen, gedämpft wird zu einer Formveränderung.

Wenn die elektromechanische Leistung auf einer Skala von 1 bis 10 bewertet würde (wobei 1 die niedrigste Leistung und 10 der Industriestandard von 1 % Dehnung ist), sollte laut Martin die elektromechanische Reaktion herkömmlicher Piezoelektrika im Allgemeinen von 10 auf sinken 1 %. Bereich 1-4.

„Um die Auswirkungen von Enge auf die Bewegung zu verstehen, stellen Sie sich zunächst vor, dass Sie in einem Flugzeug auf einem Mittelsitz sitzen und niemand auf beiden Seiten von Ihnen sitzt: Es steht Ihnen frei, Ihre Position anzupassen, wenn Sie sich unwohl fühlen. „bequem, überhitzt, usw.“, sagte Martin. „Stellen Sie sich nun das gleiche Szenario vor, außer dass Sie jetzt zwischen zwei großen Offensiv-Linemen des Rice-Football-Teams sitzen. Sie würden so zwischen ihnen „gequetscht“, dass Sie Ihre Position als Reaktion darauf wirklich nicht wesentlich anpassen könnten ein Anstoß“.

Die Forscher wollten verstehen, wie sich sehr dünne Filme aus Antiferroelektrika, einer Materialklasse, die bis vor kurzem aufgrund des fehlenden Zugangs zu „Modellversionen“ der Materialien und ihrer komplexen Struktur und Eigenschaften wenig untersucht wurde, als Reaktion auf Spannung verändern. und ob sie mit gleicher Wahrscheinlichkeit quetschen würden.

Zunächst entwickelten sie dünne Filme des antiferroelektrischen Modellmaterials PbZrO.₃ mit sehr sorgfältiger Kontrolle der Dicke, Qualität und Ausrichtung des Materials. Als nächstes führten sie eine Reihe elektrischer und elektromechanischer Messungen durch, um die Reaktionen der dünnen Filme auf angelegte elektrische Spannung zu quantifizieren.

„Wir fanden heraus, dass die Reaktion bei dünnen Filmen aus antiferroelektrischen Materialien deutlich größer war als bei ähnlichen Geometrien traditioneller Materialien“, sagte Hao Pan, Postdoktorand in Martins Forschungsgruppe und Hauptautor der Studie.

Die Messung von Formänderungen in so kleinen Maßstäben war keine leichte Aufgabe. Tatsächlich erforderte die Optimierung des Messaufbaus so viel Arbeit, dass die Forscher den Prozess in einer separaten Veröffentlichung dokumentierten.

„Mit einem fortschrittlichen Messaufbau können wir eine Auflösung von zwei Pikometern oder etwa einem Tausendstel Nanometer erreichen“, sagte Pan. „Aber nur zu zeigen, dass eine Formänderung stattgefunden hat, bedeutet nicht, dass wir verstehen, was passiert, also mussten wir es erklären. Dies war eine der ersten Studien, die die Mechanismen dahinter enthüllte. Ursprung dieser hohen Leistung.“

Mit Unterstützung ihrer Mitarbeiter am Massachusetts Institute of Technology verwendeten die Forscher ein hochmodernes Transmissionselektronenmikroskop, um die Formänderung des Materials im Nanomaßstab mit atomarer Echtzeitauflösung zu beobachten.

„Mit anderen Worten: Wir haben die elektromechanische Betätigung direkt beobachtet, sodass wir den Mechanismus erkennen konnten, der für die großen Formänderungen verantwortlich ist“, sagte Martin. „Was wir herausgefunden haben, ist, dass es eine durch elektrische Spannung induzierte Veränderung in der Kristallstruktur des Materials gibt, die wie die grundlegende Baueinheit oder die einzelne Art von Legosteinen ist, aus denen das Material besteht. In diesem Fall dieser Legostein.“ wird durch eine angelegte elektrische Spannung reversibel gedehnt, was zu einer starken elektromechanischen Reaktion führt.

Überraschenderweise stellten die Forscher fest, dass das Spannen die Leistung des Materials nicht nur nicht beeinträchtigt, sondern sogar verbessert. In Zusammenarbeit mit Mitarbeitern des Lawrence Berkeley National Laboratory und des Dartmouth College haben sie das Material rechnerisch nachgebildet, um eine andere Vorstellung davon zu erhalten, wie sich das Festziehen auf die Betätigung unter angelegter elektrischer Spannung auswirkt.

„Unsere Ergebnisse sind der Höhepunkt jahrelanger Arbeit an verwandten Materialien, einschließlich der Entwicklung neuer Techniken zu deren Untersuchung“, sagte Martin. „Indem wir herausfinden, wie diese dünnen Materialien besser funktionieren können, hoffen wir, die Entwicklung kleinerer, leistungsstärkerer elektromechanischer Geräte oder mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) – und sogar nanoelektromechanischer Systeme (NEMS) – zu ermöglichen, die weniger Strom verbrauchen und bessere Leistungen erbringen.“ ” Dinge, die wir vorher nie für möglich gehalten hätten.