Sebuah metode baru untuk meningkatkan bahan feroelektrik bebas timbal menggunakan tekanan mekanis, bukan proses kimia, menjanjikan revolusi dalam produksi komponen elektronik penting. Penemuan ini, yang dipimpin oleh para peneliti di Universitas Arkansas dan kolaborator dari berbagai institusi, dapat membuka jalan bagi perangkat yang lebih aman dan serbaguna, termasuk perangkat yang dirancang untuk ditanamkan ke dalam tubuh manusia.
Masalah dengan Timbal
Bahan feroelektrik sangat penting untuk berbagai aplikasi, termasuk kamera inframerah, USG medis, memori komputer, dan aktuator. Bahan-bahan ini mengubah sifat listrik menjadi gerakan mekanis, dan sebaliknya. Namun, banyak feroelektrik berperforma tinggi mengandung timbal, zat beracun yang menimbulkan risiko lingkungan dan kesehatan. Selama lebih dari satu dekade, para ilmuwan di seluruh dunia telah mencari alternatif yang bebas timbal.
Tantangannya terletak pada mempertahankan kinerja tanpa mengorbankan keselamatan. Bahan berbasis timbal memungkinkan penyesuaian kimia yang tepat untuk mengoptimalkan sifat-sifatnya pada batas fase – titik pertemuan struktur kristal yang berbeda. Memanipulasi batasan-batasan ini akan meningkatkan efektivitas material. Namun penyesuaian bahan kimia alternatif bebas timbal terbukti sulit, karena banyak mengandung logam alkali yang mudah menguap dan dapat menguap, sehingga mengganggu stabilitas.
Pendekatan Baru: Regangan Mekanis
Tim peneliti, yang dipimpin oleh Laurent Bellaiche dari Universitas Arkansas, menemukan bahwa penerapan tekanan mekanis – pada dasarnya, meregangkan atau menekan material – dapat secara dramatis meningkatkan kinerja natrium niobate (NaNbO3) bebas timbal. Berbeda dengan penyetelan kimia, metode ini menghindari masalah logam yang mudah menguap.
Tim mengembangkan lapisan tipis natrium niobate pada substrat, menyebabkan material berkontraksi dan mengembang saat beradaptasi dengan struktur substrat. Proses ini menciptakan ketegangan, memaksa atom-atom material berada dalam susunan yang berbeda. Yang mengejutkan para peneliti, regangan tersebut menginduksi tiga fase berbeda secara bersamaan, memaksimalkan sifat berguna material dengan menciptakan lebih banyak batas fase.
“Yang luar biasa dengan natrium niobate adalah jika Anda mengubah panjangnya sedikit, fasenya akan banyak berubah,” jelas Bellaiche. Penemuan ini menantang ekspektasi konvensional; para peneliti mengantisipasi transisi dari satu fase ke fase lainnya, bukan keberadaan ketiga fase secara bersamaan.
Mengapa Ini Penting
Dampak dari terobosan ini sangat signifikan. Feroelektrik bebas timbal yang ditingkatkan oleh tekanan dapat membuka kemungkinan baru untuk komponen elektronik yang lebih kecil, lebih efisien, dan lebih aman. Kemampuan untuk menghindari bahan beracun sangat penting untuk perangkat yang dimaksudkan untuk ditanamkan pada manusia, seperti sensor medis dan aktuator mikro.
Bahan feroelektrik memiliki sifat unik yang menjadikannya berharga dalam beragam aplikasi:
- Polarisasi Listrik: Mereka mempertahankan muatan listrik terbalik bahkan setelah daya dilepas, sehingga ideal untuk kapasitor.
- Piezoelektrik: Mereka menghasilkan listrik sebagai respons terhadap tekanan mekanis dan sebaliknya, berguna dalam sonar, sensor api, dan aktuator printer inkjet.
Arah Masa Depan
Percobaan dilakukan pada suhu kamar. Langkah selanjutnya adalah menentukan apakah natrium niobate merespons regangan dengan cara yang sama pada suhu ekstrem, berkisar antara -270°C hingga 1.000°C. Hal ini penting untuk memperluas penerapan material pada lingkungan yang lebih luas.
Penelitian yang dipublikasikan di Nature Communications ini melibatkan kolaborasi dari North Carolina State University, Cornell University, Drexel University, Stanford University, Pennsylvania State University, Argonne National Laboratory, dan Oak Ridge National Laboratory.
Terobosan ini mewakili langkah besar menuju perangkat elektronik yang lebih aman dan berkelanjutan, serta berpotensi mengubah industri dari teknologi medis menjadi perangkat konsumen. Dengan memanfaatkan kekuatan tekanan mekanis, para ilmuwan telah membuka jalan baru menuju feroelektrik berkinerja tinggi dan bebas timbal
