Stress förbättrar egenskaperna hos ett lovande material för framtida teknik.

UNSW -forskare har hittat ett nytt exotiskt tillstånd av ett av de mest lovande multiferroiska materialen, med spännande konsekvenser för framtida teknik som använder dessa förbättrade egenskaper.

Genom att kombinera en noggrann balans mellan tunnfilmsstam, förvrängning och tjocklek, laget har stabiliserat en ny mellanfas i ett av de få kända rumstemperaturmultiferroiska materialen.

Den teoretiska och experimentella amerikansk-australiensiska studien visar att denna nya fas har en elektromekanisk meritfigur över det dubbla av dess vanliga värde, och att vi till och med kan omvandla mellan denna mellanfas till andra faser enkelt med hjälp av ett elektriskt fält.

Förutom att tillhandahålla en värdefull ny teknik till verktygssatsen för alla internationella materialforskare som arbetar med multiferroics och epitaxy, resultaten belyser slutligen hur epitaxialtekniker kan användas för att förbättra funktionell respons hos material för framtida tillämpning i nästa generations enheter.

Stress förändrar allt

Om 2020–21 har lärt oss något, det är att stress förändrar allt. Även den mest "tillsammans" personen kan kämpa och förändras med tillräckligt med stress i sitt liv.

Detsamma gäller kristaller, för. När vi applicerar stress på kristaller, de blir ansträngda och kan förändra sin struktur och fysiska egenskaper dramatiskt. Töjning på ett material pressar vanligtvis ihop eller dras isär längs (minst) en axel, skapar tryck- och dragkraft.

Belastning av tunna filmer på underlag gör att filmens byggstenar deformeras för att matcha storleken på byggstenarna i det angränsande substratet. Om underlagets strukturella enheter är större än de för den tunna filmen (den blå rutan), filmen (den vita konturen) sträcker sig horisontellt (dvs. "dragspänning") och komprimera vertikalt för att passa.

Å andra sidan, en mindre substratstrukturcell (grön kvadrat) kommer att göra att filmstrukturen komprimeras horisontellt ("kompressionsspänning") och sträcks vertikalt.

"I vår forskning, vi applicerade anisotrop stam på vår film. Det betyder att belastningen som appliceras är olika beroende på vilken riktning du letar, och detta kan skapa komplicerade töjningstillstånd som tvingar in filmer i nya faser, "säger författaren Oliver Paull (UNSW).

BiFeO ₃ (eller BFO) har ett imponerande CV med multifunktionella egenskaper, inklusive piezoelektricitet, ferroelektricitet, magnetism och optiska egenskaper.

BFO är utan tvekan det mest populära magnetoelektriska materialet för forskare (dvs. ett material som har både magnetisk och elektrisk ordning som kan påverka varandra).

Magnetoelektriska material är mycket intressanta för spintronik och minnesapplikationer eftersom kopplingen mellan magnetism och ferroelektricitet utlovar teknik med låg energi. (Att skriva data med ett elektriskt fält är mycket mer effektivt än att skriva med magnetfält.)

BFO är inte bara magnetoelektrisk, men det är ett av de få material som är magnetoelektriska vid rumstemperatur, gör den livskraftig för användning i applikationer som framtida lågenergielektronik, utan krav på energikrävande kryokylning.

Endast mycket få multiferroiska material (dvs. material som har både magnetisk och elektrisk ordning) uppvisar dessa användbara egenskaper vid rumstemperatur.

Dessutom, BFO har andra funktionella egenskaper:piezoelektricitet, ferroelektricitet, solceller, och mer. Det är också blyfritt, ger det en klar fördel mot de flesta högpresterande piezoelektriska material, som tyvärr innehåller giftigt bly.

Piezoelektriska material, som kan omvandla mekaniskt tryck till elektrisk energi, har breda tillämpningar som ultrahögkänsliga sensorer i enheter som smartphone-rörelsessensorer och pacemaker (där det är en fördel att undvika giftiga material).

Genom att använda mycket felskurna substrat, forskargruppen pressade BFO in i en ny fas som i huvudsak är länken mellan de välkända rhombohedral-liknande och tetragonalliknande faserna.

Detta, i kombination med fasens symmetri-relaterade egenskaper, gör att den lätt kan påverkas av elektriska fält.

"Vi tittade igenom litteraturen och fann att alla använder ganska vanliga kommersiella substratorienteringar, "säger chefsutredaren Daniel Sando." Vi bad våra leverantörer att skräddarsy olika felaktiga riktningar mellan standardinriktningarna, vilket ledde till upptäckten av den nya fasen. Vi frågade oss själva om anledningen till att människor inte hade gjort det här tidigare är att kristallografin som är involverad i dessa felaktigheter är ganska komplex och kan vara skrämmande. "

Det internationella samarbetet mellan forskare vid Oak Ridge National Lab, University of Arkansas, och Monash University, använde teoretiska beräkningar och en rad experimentella tekniker för att visa att denna nya fas har ett mycket högre elektromekaniskt svar än traditionell BFO.

"Vi visar dessutom starka bevis på att denna lågsymmetrifas kan omvandlas till en högre symmetrifas med hjälp av ett elektriskt fält, och som ett resultat kan förstärka det elektromekaniska svaret ytterligare med en faktor 3, säger Oliver Paull.

Ett mångsidigt verktyg:Tillämpa metoden på ett brett spektrum av oxidmaterial

En av de mest tilltalande aspekterna av denna upptäckt är dess allmänna metodik och tillämpbarhet på en bred klass av materialsystem.

"Vi valde att fokusera på BiFeO ₃ på grund av dess ferroelektriska, magnetisk, och piezoelektriska egenskaper, men tillvägagångssättet appliceras enkelt på andra perovskitoxider, säger Oliver Paull.

"Vi undersöker för närvarande effekten av dessa högindexiga substrat på rent ferroelektriska eller magnetiska system, men utrymmet för att använda denna teknik är enormt. Vi förväntar oss att hitta lågsymmetri -faser av optiskt intressanta material, liksom nya domänarrangemang inom ferroelektriska, för att nämna några, "noterade Laurent Bellaiche, den teoretiska ledningen för projektet. "

"Om du har att göra med epitaxy, då kan denna anisotropa teknik vara mycket givande för din forskning, säger Daniel Sando.

"Den här studien är bara början. Vi planerar att kombinera detta anisotropa epitaxiska tillvägagångssätt för oxid superlattices (upprepande lager av olika kompositioner, A-B-A-B etc.), samt att kombinera kristallstrukturerna med låg symmetri med andra etablerade vägar för att förbättra piezoresponse, inklusive substitution med sällsynta jordartsmetaller, till exempel. Till sist, eftersom BFO är multiferroiskt, vi har en rad magnetiska studier planerade för denna nya lågsymmetrifas. "säger UNSW:s laboratorieledare Nagy Valanoor.

Det finns ännu bredare möjliga tillämpningar:Piezoelektriker som används i sensorer och ställdon är vanligtvis blybaserade föreningar i bulkform. Även om det nya tillvägagångssättet är nischat och mycket forskningsinriktat, det kan finnas utrymme för de nya metoderna att arbeta i sådana industrier som nano-ställdon eller sensorer. Den viktigaste aspekten är användningen av den anisotropa epitaximetoden för att 1) ​​generera en lågsymmetrifas, och 2) underlätta förbättringar som svar; I detta fall, den piezoelektriska koefficienten.

"Anisotrop epitaxiell stabilisering av ett ferroselektriskt symmetri med förstärkt elektromekaniskt svar" publicerades i Naturmaterial i september 2020.