Ett team av forskare har observerat och rapporterat för första gången den unika mikrostrukturen hos ett nytt ferroelektriskt material, vilket möjliggör utvecklingen av blyfria piezoelektriska material för elektronik, sensorer och energilagring som är säkrare för mänsklig användning. Detta arbete leddes av Alem Group vid Penn State och i samarbete med forskarlag vid Rutgers University och University of California, Merced.

Ferroelektrik är en klass av material som visar en spontan elektrisk polarisering när en extern elektrisk laddning appliceras. Detta orsakar en spontan elektrisk polarisering när positiva och negativa laddningar i materialet går mot olika poler. Dessa material har också piezoelektriska egenskaper, vilket innebär att materialet genererar en elektrisk laddning under en applicerad mekanisk kraft.

Detta gör det möjligt för dessa material att göra elektricitet från energi som värme, rörelse eller till och med buller som annars skulle kunna gå till spillo. Därför har de potential för alternativ till kolbaserad energi, som att hämta energi från spillvärme. Dessutom är ferroelektriska material särskilt användbara för datalagring och minne eftersom de kan förbli i ett polariserat tillstånd utan extra ström, vilket gör dem attraktiva för energibesparande datalagring och elektronik. De används också i stor utsträckning i fördelaktiga tillämpningar som strömbrytare, viktiga medicinska apparater som pulsmätare och ultraljud, energilagring och ställdon.

Men de starkaste piezoelektriska materialen innehåller bly, vilket är en stor fråga eftersom bly är giftigt för människor och djur.

"Vi skulle älska att designa ett piezoelektriskt material som inte har nackdelarna med de nuvarande materialen," sa Nasim Alem, docent i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap i Penn State och studiens motsvarande författare. "Och just nu är bly i alla dessa material en stor nackdel eftersom blyet är farligt. Vi hoppas att vår studie kan resultera i en lämplig kandidat för ett bättre piezoelektriskt system."

För att utveckla en väg till ett sådant blyfritt material med starka piezoelektriska egenskaper arbetade forskargruppen med kalciummanganat, Ca₃ Mn₂ O₇ (CMO). CMO är ett nytt hybrid olämpligt ferroelektriskt material med några intressanta egenskaper.

"Designprincipen för detta material är att kombinera rörelsen hos materialets lilla syreoktaedrar", säger Leixin Miao, doktorand i materialvetenskap och första författare till studien i Nature Communications . "I materialet finns det oktaedrar av syreatomer som kan luta och rotera. Termen "hybrid felaktig ferroelektrisk" betyder att vi kombinerar rotationen och lutningen av oktaedrarna för att producera ferroelektricitet. Det anses vara en "hybrid" eftersom det är kombination av två rörelser av oktaedrarna som genererar den polariseringen för ferroelektricitet. Det anses vara en "olämplig" ferroelektrisk eftersom polariseringen genereras som en sekundär effekt."

Det finns också en unik egenskap hos CMO:s mikrostruktur som är något av ett mysterium för forskare.

"Vid rumstemperatur finns det några polära och opolära faser som samexisterar vid rumstemperatur i kristallen," sa Miao. "Och de samexisterande faserna tros vara korrelerade med negativt termisk expansionsbeteende. Det är välkänt att ett material normalt expanderar när det upphettas, men det här krymper. Det är intressant, men vi vet väldigt lite om strukturen, som hur de polära och opolära faserna samexisterar."

För att bättre förstå detta använde forskarna transmissionselektronmikroskopi i atomskala.

"Varför vi använde elektronmikroskopi är för att med elektronmikroskopi kan vi använda sönder i atomskala för att se det exakta atomarrangemanget i strukturen," sa Miao. "Och det var mycket överraskande att observera de dubbelskiktiga polära nanoregionerna i CMO-kristallerna. Såvitt vi vet är det första gången som en sådan mikrostruktur avbildades direkt i de skiktade perovskitmaterialen."

Tidigare observerades det aldrig vad som händer med ett material som går igenom en sådan ferroelektrisk fasövergång, enligt forskarna. Men med elektronmikroskopi kunde de övervaka materialet och vad som hände under fasövergången.

"Vi övervakade materialet, vad som händer under fasövergången, och kunde undersöka atom för atom vid vilken typ av bindning vi har, vilken typ av strukturella förvrängningar vi har i materialet och hur det kan förändras som en funktion av temperatur," sa Alem. "Och detta förklarar i hög grad några av de observationer som människor har haft med det här materialet. Till exempel, när de får den termiska expansionskoefficienten, har ingen riktigt vetat var detta kommer ifrån. I grund och botten höll det på att gå ner till atomnivån och förstå den underliggande fysiken, kemin i atomskala och även fasövergångens dynamik, hur den förändras."

Detta skulle i sin tur möjliggöra utvecklingen av blyfria, kraftfulla piezoelektriska material.

"Forskare har försökt hitta nya vägar för att upptäcka blyfria ferroelektriska material för många fördelaktiga tillämpningar," sa Miao. "Förekomsten av de polära nanoregionerna anses gynna de piezoelektriska egenskaperna, och nu visade vi att vi via defektteknik kanske kan designa nya starka piezoelektriska kristaller som i slutändan skulle ersätta allt blyinnehållande material för ultraljuds- eller ställdonstillämpningar."

Karaktäriseringsarbetet som avslöjade dessa aldrig tidigare skådade processer i materialet utfördes vid Materialforskningsinstitutets anläggningar i Millennium Science Complex. Detta inkluderade experiment med multipla transmissionselektronmikroskop (TEM) som gjorde att det aldrig tidigare skådade kunde ses.

En annan fördel med studien var fri programvara utvecklad av forskargruppen, EASY-STEM, som möjliggör enklare TEM-bilddatabehandling. Detta skulle potentiellt kunna förkorta den tid som behövs för att främja vetenskaplig forskning och flytta den till praktisk tillämpning.

"Mjukvaran har ett grafiskt användargränssnitt som tillåter användare att mata in med musklick, så människor behöver inte vara experter på kodning men kan ändå generera fantastisk analys," sa Miao. + Utforska vidare

Datadriven upptäckt av NbOI2 som en högpresterande lager piezoelektrisk