Genom att ta en "nedifrån och upp"-strategi, forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign har för första gången observerat att "storlek spelar roll" när det gäller "pyroelektricitet" - strömmen/spänningen som utvecklats som svar på temperaturfluktuationer som möjliggör teknologier som infraröda sensorer, nattseende, och energiomvandlingsenheter, för att nämna några.
"Kontrollera och manipulera värme för applikationer som skörd av spillvärmeenergi, integrerad kylteknik, elektronemission, och relaterade funktioner är ett spännande studieområde idag, " förklarade Lane Martin, en biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid Illinois. "Traditionellt, dessa system har förlitat sig på bulkmaterial, men framtida enheter i nanoskala kommer i allt högre grad att kräva ferroelektriska tunna filmer.
"Att mäta det pyroelektriska svaret hos tunna filmer är svårt och har begränsat förståelsen av pyroelektricitetens fysik, som fick en del att märka det som "en av de minst kända egenskaperna hos fasta material", Martin tillade. "Detta arbete ger den mest kompletta och detaljerade modelleringen och experimentella studien av denna vida okända materialregion och har direkta konsekvenser för nästa generations enheter."
Forskare fann att en minskning av dimensionerna av ferroelektrik ökar deras känslighet för storleks- och spänningsinducerade effekter. Gruppens tidning, "Effekten av 90-graders domänväggar och termisk expansionsmissanpassning på de pyroelektriska egenskaperna hos epitaxial PbZr 0,2 Ti 0,8 O 3 tunna filmer, " visas i journalen Fysiska granskningsbrev .
"Vad vi gjorde i det här arbetet var att utveckla ett nytt tillvägagångssätt för att använda och förstå en klass av material som är viktiga för alla dessa applikationer, ", sa Martin. "Genom att gå över till en 'bottom-up'-metod som producerar nanoskaliga versioner av dessa material som tunna filmer, vi har observerat, för första gången, att vissa funktioner, nämligen domänväggar, kan vara otroligt viktigt och till och med dominera den temperaturberoende responsen och prestandan hos dessa material."
Enligt J. Karthik, den första författaren på gruppens tidning, tunnfilmsepitaxi har utvecklats för att tillhandahålla en uppsättning parametrar (t.ex. filmkomposition, epitaxiell stam, elektriska gränsvillkor, och tjocklek) som möjliggör exakt kontroll av ferroelektrik och har varit avgörande för att förstå fysiken för dielektriska och piezoelektriska effekter.
"Vi undersökte bidraget från 90º domänväggar och termisk expansionsmissanpassning till pyroelektricitet i ferroelektrisk PbZr 0,2 Ti 0,8 O 3 tunna filmer, ett mycket använt material vars bulk ferroelektriska och piezoelektriska egenskaper är välkända, " förklarade Karthik. Som en del av detta arbete, Martins forskargrupp för Prometheus utvecklade och tillämpade de första fenomenologiska modellerna för att inkludera yttre och sekundära bidrag till pyroelektricitet i polydomänfilmer och förutsäga betydande yttre bidrag (som härrör från den temperaturberoende rörelsen av domänväggar) och stora sekundära bidrag (som härrör från oöverensstämmelse mellan termisk expansion mellan filmen och substratet).
"Vi har också utvecklat och tillämpat en ny faskänslig pyroelektrisk strömmätningsprocess för att mäta tunna filmer för första gången och avslöja en dramatisk ökning av den pyroelektriska koefficienten med en ökande andel av planorienterade domäner och termisk expansionsmissanpassning i enlighet med dessa modeller , sa Karthik.
"Genom att etablera en förståelse för vetenskapen om dessa effekter, med modeller för att förutsäga deras prestanda, och demonstrerade tekniker för att tillverka och använda dessa egenskaper i nanoskala versioner av dessa material, deras egenskaper kan effektivt integreras i befintlig elektronik, sa Martin.
