Nová metoda pro zlepšení účinnosti bezolovnatých feroelektrických materiálů využívající spíše mechanické namáhání než chemické procesy slibuje revoluci ve výrobě kritických elektronických součástek. Tento objev, vedený výzkumníky z University of Arkansas a spolupracovníky z různých institucí, by mohl připravit cestu pro bezpečnější a univerzálnější zařízení, včetně těch, které jsou určeny k implantaci do lidského těla.
Problém olova
Feroelektrické materiály jsou rozhodující pro širokou škálu aplikací, včetně infračervených kamer, lékařských ultrazvukových zařízení, počítačových pamětí a ovladačů. Tyto materiály převádějí elektrické vlastnosti na mechanický pohyb a naopak. Mnoho vysoce výkonných feroelektrik však obsahuje olovo, toxickou látku, která představuje environmentální a zdravotní rizika. Již více než deset let hledají vědci po celém světě životaschopné bezolovnaté alternativy.
Výzvou je udržení výkonu bez ohrožení bezpečnosti. Olověné materiály umožňují jemné vyladění chemického složení, aby se optimalizovaly jejich vlastnosti na fázových hranicích – v bodech, kde se setkávají různé krystalové struktury. Manipulace s těmito hranicemi zvyšuje účinnost materiálu. Chemické ladění bezolovnatých alternativ se však ukázalo jako obtížné, protože mnohé z nich obsahují těkavé alkalické kovy, které se mohou odpařovat, což ohrožuje stabilitu.
Nový přístup: mechanické namáhání
Výzkumný tým vedený Laurentem Bellache z University of Arkansas zjistil, že aplikace mechanického namáhání – v podstatě natahování nebo stlačování materiálu – může výrazně zlepšit výkon bezolovnatého niobičnanu sodného (NaNbO3). Na rozdíl od chemického ladění se tato metoda vyhýbá problému těkavých kovů.
Tým pěstoval tenký film niobátu sodného na substrátu, což způsobilo, že se materiál smršťoval a expandoval, jak se přizpůsobil struktuře substrátu. Tento proces vytvořil napětí, což způsobilo, že se atomy materiálu uspořádaly jinak. K překvapení výzkumníků tato napětí vyvolala tři různé fáze současně, čímž se maximalizovaly užitečné vlastnosti materiálu vytvořením více fázových hranic.
“Na niobátu sodného je pozoruhodné, že i malá změna délky dramaticky změní fáze,” vysvětlil Bellash. Tento objev zpochybňuje konvenční očekávání; výzkumníci očekávali přechod z jedné fáze do druhé, nikoli současnou existenci tří.
Proč je to důležité?
Důsledky tohoto průlomu jsou významné. Bezolovnatá feroelektrika se zvýšeným napětím by mohla otevřít nové možnosti pro menší, účinnější a bezpečnější elektronické součástky. Schopnost vyhnout se toxickým materiálům je zvláště důležitá pro zařízení určená k implantaci lidem, jako jsou lékařské senzory a mikroaktuátory.
Feroelektrické materiály mají jedinečné vlastnosti, díky kterým jsou cenné v různých oblastech:
- Elektrická polarizace: Uchovávají zpětný elektrický náboj i po vypnutí napájení, takže jsou ideální pro kondenzátory.
- Piezoelektřina: Generují elektřinu v reakci na mechanické namáhání a naopak, což je užitečné v sonarech, detektorech požáru a ovladačích inkoustových tiskáren.
Budoucí směry
Experimenty byly prováděny při teplotě místnosti. Dalším krokem je zjistit, zda niobitan sodný reaguje na stres stejným způsobem při extrémních teplotách, od -270 °C do 1000 °C. To je zásadní pro rozšíření použitelnosti materiálu na širší škálu prostředí.
Studie zveřejněná v Nature Communications byla provedena ve spolupráci s University of North Carolina, Cornell University, Drexel University, Stanford University, Pennsylvania State University, Argonne National Laboratory a Oak Ridge National Laboratory.
Tento průlom je významným krokem k bezpečnější a udržitelnější elektronice s potenciálem transformovat průmyslová odvětví z lékařských zařízení na spotřebitelská zařízení. Využitím síly mechanického namáhání vědci objevili novou cestu k vysoce výkonným bezolovnatým feroelektrikám.
