Gli scienziati hanno notevolmente ampliato la gamma di temperature funzionali per i materiali ferroelettrici, un materiale chiave utilizzato in una varietà di applicazioni quotidiane, creando il primo gradiente di polarizzazione in un film sottile.

Il raggiungimento, segnalato il 10 maggio in Comunicazioni sulla natura dai ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory del Department of Energy (Berkeley Lab), apre la strada allo sviluppo di dispositivi in ​​grado di supportare le comunicazioni wireless in ambienti estremi, dall'interno dei reattori nucleari alle regioni polari della Terra.

I materiali ferroelettrici sono apprezzati per avere una polarizzazione spontanea che è reversibile da un campo elettrico applicato e per la capacità di produrre cariche elettriche in risposta alla pressione fisica. Possono funzionare come condensatori, trasduttori, e oscillatori, e possono essere trovati in applicazioni come carte di transito, ecografia, e sistemi di accensione a pulsante.

Gli scienziati del Berkeley Lab hanno creato un ceppo e un gradiente chimico in un film sottile di 150 nanometri di titanato di stronzio di bario, un materiale ferroelettrico ampiamente utilizzato. I ricercatori sono stati in grado di misurare direttamente i minuscoli spostamenti atomici nel materiale utilizzando una microscopia avanzata all'avanguardia presso il Berkeley Lab, trovare gradienti nella polarizzazione. La polarizzazione variava da 0 a 35 microcoulomb per centimetro quadrato attraverso lo spessore del materiale a film sottile.

Buttare via le previsioni da manuale

"I libri di testo tradizionali di fisica e ingegneria non avrebbero previsto questa osservazione, " ha detto il ricercatore principale dello studio Lane Martin, scienziato della facoltà presso la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e professore associato di materiali e ingegneria alla UC Berkeley. "Creare gradienti nei materiali costa molta energia - a Madre Natura non piacciono - e il materiale lavora per livellare tali squilibri in ogni modo possibile. Affinché si verifichi un gradiente ampio come quello che abbiamo qui, avevamo bisogno di qualcos'altro nel materiale per compensare questa struttura sfavorevole. In questo caso, la chiave sono i difetti naturali del materiale, come cariche e vacanze di atomi, che si adattano allo squilibrio e stabilizzano il gradiente di polarizzazione."

La creazione di un gradiente di polarizzazione ha avuto l'effetto benefico di espandere l'intervallo di temperatura per prestazioni ottimali da parte del materiale ferroelettrico. La funzione del titanato di bario è fortemente dipendente dalla temperatura con effetti relativamente piccoli vicino alla temperatura ambiente e un grande, picco acuto in risposta a circa 120 gradi Celsius. Ciò rende difficile ottenere un controllo ben controllato, funzione affidabile in quanto la temperatura varia oltre una finestra piuttosto stretta. Per adattare il materiale al funzionamento per applicazioni a temperatura ambiente e dintorni, gli ingegneri sintonizzano la chimica del materiale, ma l'intervallo di temperature in cui i materiali sono utili rimane relativamente ristretto.

"Il nuovo profilo di polarizzazione che abbiamo creato dà origine a una risposta dielettrica quasi insensibile alla temperatura, che non è comune nei materiali ferroelettrici, " ha detto Martin. "Creando un gradiente nella polarizzazione, il ferroelettrico opera simultaneamente come una gamma o un continuum di materiali, fornendoci risultati ad alte prestazioni su una finestra di 500 gradi Celsius. In confronto, standard, i materiali disponibili oggi darebbero le stesse risposte in una finestra di 50 gradi Celsius molto più piccola".

Al di là delle ovvie espansioni ad ambienti più caldi e più freddi, i ricercatori hanno notato che questo intervallo di temperatura più ampio potrebbe ridurre il numero di componenti necessari nei dispositivi elettronici e potenzialmente ridurre il consumo di energia dei telefoni wireless.

"Lo smartphone che sto tenendo in mano in questo momento ha risonatori dielettrici, sfasatori, oscillatori, più di 200 elementi in tutto, basati su materiali simili a quelli che abbiamo studiato in questo articolo, " ha detto Martin. "Circa 45 di questi elementi sono necessari per filtrare i segnali provenienti da e verso il tuo cellulare per assicurarti di avere un segnale chiaro. È un'enorme quantità di immobili da dedicare a una funzione".

Poiché i cambiamenti di temperatura alterano la risonanza dei materiali ferroelettrici, vengono apportate continue regolazioni per adattare i materiali alla lunghezza d'onda dei segnali inviati dalle torri cellulari. L'alimentazione è necessaria per sintonizzare il segnale, e quanto più stonato è, maggiore è la potenza che il telefono deve utilizzare per ottenere un segnale chiaro per il chiamante. Un materiale con un gradiente di polarizzazione in grado di funzionare a regimi di temperature elevate potrebbe ridurre la potenza necessaria per sintonizzare il segnale.

I rilevatori più veloci consentono nuove tecniche di imaging

La comprensione del gradiente di polarizzazione ha comportato l'uso della deformazione epitassiale, una strategia in cui viene coltivato un overlayer cristallino su un substrato, ma con una mancata corrispondenza nella struttura reticolare. Questa tecnica di ingegneria della deformazione, comunemente impiegati nella produzione di semiconduttori, aiuta a controllare la struttura e migliorare le prestazioni dei materiali.

I recenti progressi nella microscopia elettronica hanno permesso ai ricercatori di ottenere dati strutturali su scala atomica del titanato di stronzio di bario teso, e per misurare direttamente la deformazione e il gradiente di polarizzazione.

"Abbiamo stabilito un modo per utilizzare la diffrazione a scansione di nanofasci per registrare i modelli di diffrazione da ogni punto, e successivamente analizzare i set di dati per i dati di deformazione e polarizzazione, ", ha affermato il coautore dello studio Andrew Minor, direttore del National Center for Electron Microscopy presso la Molecular Foundry del Berkeley Lab, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. "Questo tipo di mappatura, pioniere al Berkeley Lab, è sia nuovo che molto potente."

Un altro fattore chiave è stata la velocità del rilevatore, Minore aggiunto. Per questa carta, i dati sono stati ottenuti a una velocità di 400 fotogrammi al secondo, un ordine di grandezza più veloce della velocità di 30 fotogrammi al secondo di pochi anni fa. Questa tecnica è ora disponibile per gli utenti della Fonderia.

"Stiamo assistendo a una rivoluzione nella microscopia relativa all'uso di rivelatori di elettroni diretti che sta cambiando molti campi di ricerca, " disse Minore, che detiene anche un incarico come professore di scienza e ingegneria dei materiali alla UC Berkeley. "Siamo in grado sia di vedere che di misurare le cose su una scala che era difficile immaginare fino a poco tempo fa".