Een nieuwe methode voor het verbeteren van loodvrije ferro-elektrische materialen met behulp van mechanische belasting in plaats van chemische processen, belooft een revolutie teweeg te brengen in de productie van essentiële elektronische componenten. Deze ontdekking, geleid door onderzoekers van de Universiteit van Arkansas en medewerkers van meerdere instellingen, zou de weg kunnen vrijmaken voor veiligere en veelzijdigere apparaten, inclusief apparaten die zijn ontworpen voor implantatie in het menselijk lichaam.
Het probleem met lood
Ferro-elektrische materialen zijn van cruciaal belang voor een breed scala aan toepassingen, waaronder infraroodcamera’s, medische echografie, computergeheugen en actuatoren. Deze materialen zetten elektrische eigenschappen om in mechanische beweging, en omgekeerd. Veel hoogwaardige ferro-elektrische materialen bevatten echter lood, een giftige stof die risico’s voor het milieu en de gezondheid met zich meebrengt. Al meer dan tien jaar zoeken wetenschappers over de hele wereld naar haalbare loodvrije alternatieven.
De uitdaging ligt in het behouden van de prestaties zonder dat dit ten koste gaat van de veiligheid. Op lood gebaseerde materialen maken nauwkeurige chemische afstemming mogelijk om hun eigenschappen op fasegrenzen te optimaliseren – de punten waar verschillende kristallijne structuren samenkomen. Het manipuleren van deze grenzen vergroot de effectiviteit van het materiaal. Maar het chemisch afstemmen van loodvrije alternatieven is moeilijk gebleken, omdat veel ervan vluchtige alkalimetalen bevatten die kunnen verdampen, waardoor de stabiliteit in gevaar komt.
Een nieuwe aanpak: mechanische belasting
Het onderzoeksteam, onder leiding van Laurent Bellaiche van de Universiteit van Arkansas, ontdekte dat het uitoefenen van mechanische spanning – in wezen het uitrekken of comprimeren van het materiaal – de prestaties van loodvrij natriumniobaat (NaNbO3) dramatisch kan verbeteren. In tegenstelling tot chemische afstemming vermijdt deze methode het probleem van vluchtige metalen.
Het team liet een dunne film natriumniobaat op een substraat groeien, waardoor het materiaal samentrok en uitzet naarmate het zich aanpaste aan de structuur van het substraat. Dit proces veroorzaakte spanning, waardoor de atomen van het materiaal in verschillende rangschikkingen werden gedwongen. Tot verbazing van de onderzoekers induceerde de spanning drie verschillende fasen tegelijkertijd, waardoor de bruikbare eigenschappen van het materiaal werden gemaximaliseerd door meer fasegrenzen te creëren.
“Wat heel opmerkelijk is bij natriumniobaat is dat als je de lengte een klein beetje verandert, de fasen veel veranderen”, legt Bellaiche uit. De ontdekking daagt conventionele verwachtingen uit; onderzoekers anticipeerden op een overgang van de ene fase naar de andere, en niet op het gelijktijdig bestaan van drie.
Waarom dit belangrijk is
De gevolgen van deze doorbraak zijn aanzienlijk. Loodvrije ferro-elektrische materialen, versterkt door spanning, zouden nieuwe mogelijkheden kunnen ontsluiten voor kleinere, efficiëntere en veiligere elektronische componenten. Het vermogen om giftige materialen te vermijden is met name van cruciaal belang voor apparaten die bedoeld zijn voor implantatie bij mensen, zoals medische sensoren en micro-actuatoren.
Ferro-elektrische materialen bezitten unieke eigenschappen die ze waardevol maken in diverse toepassingen:
- Elektrische polarisatie: Ze behouden een omgekeerde elektrische lading, zelfs nadat de stroom is uitgeschakeld, waardoor ze ideaal zijn voor condensatoren.
- Piezo-elektriciteit: Ze genereren elektriciteit als reactie op mechanische spanning en omgekeerd, wat nuttig is in sonar-, brandsensoren en actuatoren voor inkjetprinters.
Toekomstige richtingen
De experimenten werden uitgevoerd bij kamertemperatuur. De volgende stap zal zijn om te bepalen of natriumniobaat op dezelfde manier reageert op spanning bij extreme temperaturen, variërend van -270°C tot 1.000°C. Dit is van cruciaal belang om de toepasbaarheid van het materiaal in een breder scala aan omgevingen uit te breiden.
Bij het onderzoek, gepubliceerd in Nature Communications, werd samengewerkt door de North Carolina State University, Cornell University, Drexel University, Stanford University, Pennsylvania State University, Argonne National Laboratory en Oak Ridge National Laboratory.
Deze doorbraak vertegenwoordigt een grote stap in de richting van veiligere en duurzamere elektronica, met het potentieel om industrieën te transformeren van medische technologie naar consumentenapparatuur. Door gebruik te maken van de kracht van mechanische belasting hebben wetenschappers een nieuwe weg geopend naar hoogwaardige, loodvrije ferro-elektrische materialen
