Forskare har kraftigt utökat utbudet av funktionella temperaturer för ferroelektrik, ett nyckelmaterial som används i en mängd olika vardagliga applikationer, genom att skapa den första polarisationsgradienten någonsin i en tunn film.

Prestationen, rapporterade 10 maj in Naturkommunikation av forskare vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), banar väg för utveckling av enheter som kan stödja trådlös kommunikation i extrema miljöer, från insidan av kärnreaktorer till jordens polarområden.

Ferroelektriska material uppskattas för att ha en spontan polarisering som är reversibel av ett applicerat elektriskt fält och för förmågan att producera elektriska laddningar som svar på fysiskt tryck. De kan fungera som kondensatorer, givare, och oscillatorer, och de kan hittas i applikationer som transitkort, ultraljudsavbildning, och tryckknapps tändsystem.

Berkeley Lab-forskare skapade en stam och kemisk gradient i en 150 nanometer tunn film av bariumstrontiumtitanat, ett mycket använt ferroelektriskt material. Forskarna kunde direkt mäta de små atomförskjutningarna i materialet med hjälp av avancerad avancerad mikroskopi vid Berkeley Lab, hitta gradienter i polarisationen. Polarisationen varierade från O till 35 mikrocoulombs per centimeter i kvadrat över tjockleken av tunnfilmsmaterialet.

Kasta ut läroboksförutsägelser

"Traditionella fysik- och ingenjörsböcker skulle inte ha förutsagt denna observation, "sa studiechefutredaren Lane Martin, fakultetsvetare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och UC Berkeley docent i material och teknik. "Att skapa gradienter i material kostar mycket energi - Moder Natur gillar dem inte - och materialet arbetar för att jämna ut sådana obalanser på vilket sätt som helst. För att en stor gradient som den vi har här ska uppstå, vi behövde något annat i materialet för att kompensera för denna ogynnsamma struktur. I detta fall, nyckeln är materialets naturligt förekommande defekter, såsom avgifter och lediga platser för atomer, som rymmer obalansen och stabiliserar gradienten i polarisering. "

Att skapa en polarisationsgradient hade den fördelaktiga effekten att utöka temperaturintervallet för optimal prestanda av det ferroelektriska materialet. Bariumtitanats funktion är starkt temperaturberoende med relativt små effekter nära rumstemperatur och en stor, skarp topp som svar vid cirka 120 grader Celsius. Detta gör det svårt att uppnå välkontrollerad, tillförlitlig funktion eftersom temperaturen varierar bortom ett ganska smalt fönster. För att anpassa materialet för att fungera för applikationer vid och runt rumstemperatur, ingenjörer ställer in materialets kemi, men intervallet för temperaturer där materialen är användbara förblir relativt snäva.

"Den nya polarisationsprofilen vi har skapat ger upphov till ett nästan temperaturokänsligt dielektriskt svar, vilket inte är vanligt i ferroelektriska material, "sa Martin." Genom att göra en gradient i polarisationen, ferroelektriskt fungerar samtidigt som ett intervall eller kontinuum av material, vilket ger oss högpresterande resultat över ett fönster på 500 grader Celsius. I jämförelse, standard, hyllmaterial idag skulle ge samma svar i ett mycket mindre 50-graders Celsius-fönster. "

Utöver de uppenbara utvidgningarna till varmare och kallare miljöer, forskarna noterade att detta bredare temperaturintervall kan minska antalet komponenter som behövs i elektroniska enheter och eventuellt minska strömförbrukningen för trådlösa telefoner.

"Smarttelefonen som jag håller i handen just nu har dielektriska resonatorer, fasväxlar, oscillatorer - mer än 200 element totalt - baserade på liknande material som vi studerade i detta dokument, ", sa Martin. "Omkring 45 av dessa element behövs för att filtrera signalerna som kommer till och från din mobiltelefon för att se till att du har en tydlig signal. Det är en enorm mängd fastigheter att dedikera till en funktion."

Eftersom temperaturförändringar förändrar resonansen hos de ferroelektriska materialen, det sker ständiga justeringar för att matcha materialen till våglängden för signalerna som skickas från celltorn. Ström behövs för att ställa in signalen, och desto mer stämningsfullt är det, desto mer kraft behöver telefonen använda för att få en tydlig signal till den som ringer. Ett material med en polarisationsgradient som kan arbeta över regimer med höga temperaturer kan minska effekten som behövs för att ställa in signalen.

Snabbare detektorer möjliggör nya bildtekniker

Att förstå polarisationsgradienten innebar användning av epitaxial stam, en strategi där ett kristallint överlag odlas på ett substrat, men med en felaktig överensstämmelse i gitterstrukturen. Denna stamtekniska teknik, vanligt vid halvledartillverkning, hjälper till att kontrollera strukturen och förbättra prestanda i material.

De senaste framstegen inom elektronmikroskopi har gjort det möjligt för forskare att erhålla strukturella data i atomskala för det ansträngda bariumstrontiumtitanatet, och att direkt mäta töjningen och polarisationsgradienten.

"Vi har etablerat ett sätt att använda nanostråleskanningsdiffraktion för att registrera diffraktionsmönster från varje punkt, och efteråt analysera datamängderna för stam- och polarisationsdata, " sa studiens medförfattare Andrew Minor, chef för National Center for Electron Microscopy vid Berkeley Labs Molecular Foundry, en DOE Office of Science User Facility. "Denna typ av kartläggning, pionjär på Berkeley Lab, är både nytt och mycket kraftfullt. "

En annan nyckelfaktor var detektorns hastighet, Mindre tillagt. För denna tidning, data erhölls med en hastighet av 400 bilder per sekund, en storleksordning snabbare än hastigheten 30 bilder per sekund från bara några år sedan. Denna teknik är nu tillgänglig för användare på Foundry.

"Vi ser en revolution inom mikroskopi relaterad till användningen av direktelektrondetektorer som förändrar många forskningsområden, sade Mindre, som också har en utnämning som professor i materialvetenskap och teknik vid UC Berkeley. "Vi kan både se och mäta saker i en skala som var svårt att föreställa sig förrän nyligen."