Новий метод підвищення ефективності сегнетоелектричних матеріалів, що не містять свинцю, з використанням механічних навантажень, а не хімічних процесів, обіцяє революцію у виробництві критичних електронних компонентів. Це відкриття, очолюване дослідниками з Університету Арканзасу та співробітниками з різних установ, може прокласти шлях до безпечніших і універсальніших пристроїв, у тому числі призначених для імплантації в тіло людини.
Проблема свинцю
Сегнетоелектричні матеріали є критично важливими для широкого спектру застосувань, включаючи інфрачервоні камери, медичне ультразвукове обладнання, комп’ютерну пам’ять і приводи. Ці матеріали перетворюють електричні властивості в механічний рух і навпаки. Однак багато високоефективних сегнетоелектриків містять свинець, токсичну речовину, яка створює ризик для навколишнього середовища та здоров’я. Понад десять років вчені всього світу шукали життєздатні безсвинцеві альтернативи.
Завдання полягає в підтримці продуктивності без шкоди для безпеки. Свинцеві матеріали дозволяють точно налаштувати хімічний склад для оптимізації їхніх властивостей на межах фаз — точках, де стикаються різні кристалічні структури. Маніпулювання цими межами підвищує ефективність матеріалу. Але хімічне налаштування безсвинцевих альтернатив виявилося складним, оскільки багато з них містять леткі лужні метали, які можуть випаровуватися, погіршуючи стабільність.
Новий підхід: механічне навантаження
Дослідницька група під керівництвом Лорана Беллаша з Університету Арканзасу виявила, що застосування механічних навантажень — по суті, розтягування або стиснення матеріалу — може значно покращити продуктивність ніобату натрію (NaNbO3), що не містить свинцю. На відміну від хімічного налаштування, цей метод дозволяє уникнути проблеми летючих металів.
Команда виростила тонку плівку ніобату натрію на підкладці, змушуючи матеріал стискатися та розширюватися, коли він адаптувався до структури підкладки. Цей процес створював напруги, через які атоми матеріалу розташовувалися по-різному. На подив дослідників, напруги спричинили три різні фази одночасно, максимізуючи корисні властивості матеріалу шляхом створення більшої кількості меж фаз.
«Що примітно в ніобаті натрію, це те, що навіть невелика зміна довжини різко змінює фази», — пояснив Беллаш. Це відкриття кидає виклик звичайним очікуванням; дослідники очікували переходу від однієї фази до іншої, а не одночасного існування трьох.
Чому це важливо?
Наслідки цього прориву значні. Безсвинцеві сегнетоелектрики з підвищеною напругою можуть відкрити нові можливості для менших, ефективніших і безпечніших електронних компонентів. Здатність уникнути токсичних матеріалів особливо важлива для пристроїв, призначених для імплантації в людину, таких як медичні датчики та мікроприводи.
Сегнетоелектричні матеріали мають унікальні властивості, які роблять їх цінними в різних областях:
- Електрична поляризація: Вони зберігають зворотний електричний заряд навіть після вимкнення живлення, що робить їх ідеальними для конденсаторів.
- П’єзоелектрика: вони генерують електрику у відповідь на механічну дію і навпаки, що корисно в сонарах, пожежних сповіщувачах і приводах струменевих принтерів.
Майбутні напрямки
Досліди проводили при кімнатній температурі. Наступним кроком є визначення того, чи ніобат натрію так само реагує на стрес при екстремальних температурах від -270°C до 1000°C. Це має вирішальне значення для розширення застосовності матеріалу в більш широкому діапазоні середовищ.
Дослідження, опубліковане в Nature Communications, було проведено у співпраці з Університетом Північної Кароліни, Корнельським університетом, Університетом Дрекселя, Стенфордським університетом, Університетом штату Пенсільванія, Аргоннською національною лабораторією та Національною лабораторією Оук-Ріджа.
Цей прорив є важливим кроком до безпечнішої та стійкішої електроніки з потенціалом для перетворення галузі з медичних пристроїв на споживчі пристрої. Використовуючи силу механічного впливу, вчені відкрили новий шлях до високоефективних безсвинцевих сегнетоелектриків.
