Nowa metoda poprawy wydajności bezołowiowych materiałów ferroelektrycznych przy użyciu naprężeń mechanicznych, a nie procesów chemicznych, może zrewolucjonizować produkcję kluczowych komponentów elektronicznych. Odkrycie to, prowadzone pod kierunkiem naukowców z Uniwersytetu Arkansas i współpracowników z różnych instytucji, może utorować drogę do bezpieczniejszych i bardziej wszechstronnych urządzeń, w tym tych przeznaczonych do wszczepiania w ludzkie ciało.
Główny problem
Materiały ferroelektryczne mają kluczowe znaczenie w szerokim zakresie zastosowań, w tym w kamerach na podczerwień, medycznym sprzęcie ultradźwiękowym, pamięci komputera i siłownikach. Materiały te przekształcają właściwości elektryczne w ruch mechaniczny i odwrotnie. Jednakże wiele wysokowydajnych ferroelektryków zawiera ołów – substancję toksyczną, która stwarza ryzyko dla środowiska i zdrowia. Od ponad dziesięciu lat naukowcy na całym świecie poszukują realnych, niezawierających ołowiu alternatyw.
Wyzwanie polega na utrzymaniu wydajności bez narażania bezpieczeństwa. Materiały ołowiowe umożliwiają precyzyjne dostrojenie składu chemicznego w celu optymalizacji ich właściwości na granicach faz – w punktach, w których spotykają się różne struktury krystaliczne. Manipulowanie tymi granicami zwiększa efektywność materiału. Jednak chemiczne dostrojenie zamienników bezołowiowych okazało się trudne, ponieważ wiele z nich zawiera lotne metale alkaliczne, które mogą odparować, pogarszając stabilność.
Nowe podejście: naprężenia mechaniczne
Zespół badawczy kierowany przez Laurenta Bellache’a z Uniwersytetu w Arkansas odkrył, że zastosowanie naprężeń mechanicznych, czyli rozciąganie lub ściskanie materiału, może znacząco poprawić działanie bezołowiowego niobianu sodu (NaNbO3). W przeciwieństwie do strojenia chemicznego, metoda ta pozwala uniknąć problemu metali lotnych.
Zespół wyhodował na podłożu cienką warstwę niobianu sodu, powodując kurczenie się i rozszerzanie materiału w miarę dostosowywania się do struktury podłoża. Proces ten wytworzył naprężenia, powodując, że atomy materiału układają się w różny sposób. Ku zaskoczeniu badaczy naprężenia wywołały jednocześnie trzy różne fazy, maksymalizując użyteczne właściwości materiału poprzez utworzenie większej liczby granic faz.
„Niezwykłe w przypadku niobianu sodu jest to, że nawet niewielka zmiana długości radykalnie zmienia fazy” – wyjaśnił Bellash. To odkrycie podważa konwencjonalne oczekiwania; badacze spodziewali się przejścia z jednej fazy do drugiej, a nie jednoczesnego istnienia trzech.
Dlaczego to jest ważne?
Konsekwencje tego przełomu są znaczące. Bezołowiowe ferroelektryki o wzmocnionym napięciu mogą otworzyć nowe możliwości dla mniejszych, bardziej wydajnych i bezpieczniejszych komponentów elektronicznych. Możliwość uniknięcia materiałów toksycznych jest szczególnie ważna w przypadku urządzeń przeznaczonych do wszczepiania ludziom, takich jak czujniki medyczne i mikroaktuatory.
Materiały ferroelektryczne mają unikalne właściwości, które czynią je cennymi w różnych dziedzinach:
- Polaryzacja elektryczna: Zachowują odwrotny ładunek elektryczny nawet po wyłączeniu zasilania, dzięki czemu idealnie nadają się do kondensatorów.
- Piezoelektryczność: wytwarzają energię elektryczną w odpowiedzi na naprężenia mechaniczne i odwrotnie, co jest przydatne w sonarach, czujkach pożarowych i elementach wykonawczych drukarek atramentowych.
Przyszłe kierunki
Doświadczenia przeprowadzono w temperaturze pokojowej. Kolejnym krokiem jest określenie, czy niobian sodu reaguje w ten sam sposób na stres w ekstremalnych temperaturach, od -270°C do 1000°C. Ma to kluczowe znaczenie dla rozszerzenia możliwości zastosowania materiału w szerszym zakresie środowisk.
Badanie, opublikowane w Nature Communications, przeprowadzono we współpracy z Uniwersytetem Karoliny Północnej, Uniwersytetem Cornell, Uniwersytetem Drexel, Uniwersytetem Stanforda, Uniwersytetem Stanowym Pensylwanii, Laboratorium Narodowym Argonne i Laboratorium Narodowym Oak Ridge.
To przełomowe osiągnięcie stanowi ważny krok w kierunku bezpieczniejszej i bardziej zrównoważonej elektroniki, mogącej przekształcić branżę z wyrobów medycznych w urządzenia konsumenckie. Wykorzystując siłę naprężeń mechanicznych, naukowcy odkryli nową drogę do wysokowydajnych ferroelektryków bezołowiowych.
