Forskare vid Technions institution för materialvetenskap och teknik har lyckats förändra ett materials elektriska egenskaper genom att avlägsna en syreatom från den ursprungliga strukturen. Möjliga tillämpningar inkluderar miniatyrisering av elektroniska enheter och strålningsdetektering.

Vad har ultraljudsavbildning av ett foster, mobilkommunikation, mikromotorer och datorminnen med låg energiförbrukning gemensamt? Alla dessa teknologier är baserade på ferroelektriska material, som kännetecknas av en stark korrelation mellan deras atomära struktur och de elektriska och mekaniska egenskaperna.

Forskare från Technion–Israel Institute of Technology har lyckats förändra egenskaperna hos ferroelektriska material genom att avlägsna en enda syreatom från den ursprungliga strukturen. Genombrottet kan bana väg för utvecklingen av ny teknik. Forskningen leddes av biträdande professor Yachin Ivry vid institutionen för materialvetenskap och teknik, tillsammans med postdoktorn Dr. Hemaprabha Elangovan och Ph.D. student Maya Barzilay, och publicerades i ACS Nano . Det noteras att konstruktion av en individuell syrevakans utgör en stor utmaning på grund av syreatomernas låga vikt.

I ferroelektriska material orsakar en liten förskjutning av atomerna betydande förändringar i det elektriska fältet och i sammandragningen eller expansionen av materialet. Denna effekt är resultatet av det faktum att den grundläggande repeterande enheten i materialet innehåller atomer som är organiserade i en asymmetrisk struktur.

För att förklara detta ytterligare använder forskarna det seminala ferroelektriska materialet bariumtitanat, vars atomer bildar en kubliknande gitterstruktur. I dessa material uppstår ett unikt fenomen:titanatomen drar bort från syreatomerna. Eftersom titan är positivt laddat och syre är negativt laddat, skapar denna separation polarisering, eller med andra ord, ett elektriskt dipolmoment.

Ett kubiskt gitter har sex ytor, så de laddade atomerna flyttas till en av sex möjligheter. I olika delar av materialet skiftar ett stort antal närliggande atomer i samma riktning, och polariseringen i varje sådant område, som är känt som en ferroelektrisk domän, är enhetlig. Traditionell teknik är baserad på det elektriska fältet som skapas i dessa domäner. Men under de senaste åren har en hel del ansträngningar riktats mot att minimera enhetsstorleken och använda gränserna, eller väggarna, mellan domänerna snarare än själva domänerna, och på så sätt omvandla enheterna från tredimensionella strukturer till tvådimensionella strukturer.

Forskarsamhället har varit delade i åsikter om vad som händer i domänväggarnas tvådimensionella värld:Hur stabiliseras gränsen mellan två domäner med olika elektrisk polarisation? Skiljer sig polariseringen i domänväggar från polariseringen i själva domänerna? Kan domänväggens egenskaper kontrolleras på ett lokalt sätt? Det stora intresset för att ta upp dessa frågor härrör från det faktum att ett ferroelektriskt material i sin naturliga form är en utmärkt elektrisk isolator. Dock kan domänväggarna vara elektriskt ledande och på så sätt bilda ett tvådimensionellt föremål som kan styras av vilja. Detta fenomen omfattar potentialen att avsevärt minska energiförbrukningen för datalagrings- och databehandlingsenheter.

I detta projekt har forskarna lyckats dechiffrera atomstrukturen och utbyggnaden av elektriska fält i domänväggar på atomär skala. I sin senaste artikel bekräftar de antagandet att domänväggar tillåter förekomsten av en tvådimensionell gräns mellan domäner som ett resultat av partiell syrevakans i områden som är gemensamma för två domäner, vilket möjliggör större flexibilitet i utbyggnaden av den lokala elektriskt fält. De lyckades ingenjörsmässigt inducera en enskild syreatoms tomhet och visade att denna åtgärd skapar motsatta dipoler och större elektrisk symmetri – en unik topologisk struktur som kallas en kvadrupol.

Med hjälp av datorsimuleringar av Shi Liu från Westlake University i Kina visade forskarna att konstruktion av syreatomens vakans har stor inverkan på materialets elektriska egenskaper, inte bara i atomär skala, utan även i den skala som är relevant. till elektroniska enheter – till exempel när det gäller elektrisk ledningsförmåga. Betydelsen är att den nuvarande vetenskapliga framgången sannolikt kommer att vara till hjälp för att miniatyrisera anordningar av detta slag samt att minska deras energiförbrukning.

I samarbete med forskare från Negev Nuclear Research Center visade forskargruppen Technion också att syrevakanser kan konstrueras genom att utsätta materialet för elektronisk strålning. Följaktligen, utöver den tekniska potentialen i upptäckten inom elektronik, kan det också vara möjligt att utnyttja effekten för strålningsdetektorer, vilket möjliggör tidig upptäckt – och förebyggande – av kärnkraftsolyckor, som den som inträffade 2011 i Fukushima , Japan. + Utforska vidare

Studie utmanar standardidéer om piezoelektricitet i ferroelektriska kristaller