Un team scientifico dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia e della Vanderbilt University ha effettuato la prima osservazione sperimentale di una fase materiale che era stata prevista ma mai vista. La fase appena scoperta si accoppia con una fase nota per consentire un controllo unico sulle proprietà dei materiali, un progresso che apre la strada all'eventuale manipolazione della conduzione elettrica in materiali bidimensionali (2-D) come il grafene.

Il team ha fatto la scoperta utilizzando un layer, cristallo contenente rame che è ferroelettrico, o ha un dipolo elettrico costante che può essere invertito quando viene applicato un campo elettrico.

"Questi materiali possono diventare elementi costitutivi di tecnologie energetiche ed elettroniche ultrasottili, " ha detto Nina Balke di ORNL, un corrispondente autore di un articolo che riporta la scoperta in Materiali della natura .

L'osservazione mostra proprietà che possono essere sfruttate per fornire ai materiali nuove funzioni. Queste proprietà dipendono dalla posizione degli atomi di rame nel cristallo. Gli atomi di rame possono risiedere all'interno degli strati del cristallo o essere spostati negli spazi tra gli strati, chiamati "lacune di van der Waals", dove formano deboli legami ionici con gli strati vicini e formano la nuova fase.

Gli scienziati hanno misurato le risposte elettromeccaniche attraverso cristalli ferroelettrici stratificati di rame indio tiofosfato, o CIPS. Questo materiale è piezoelettrico, il che significa che le sue superfici si caricano quando viene allungato o schiacciato. Al contrario, l'applicazione di un campo elettrico fa espandere o contrarre un materiale piezoelettrico. Le proprietà piezoelettriche del CIPS (CuInP ₂ S ₆ ) erano la chiave per studiarlo sperimentalmente e teoricamente per rivelare i nuovi fenomeni.

La ricerca teorica è stata condotta dal gruppo di Sokrates Pantelides, professore alla Vanderbilt University e distinto scienziato in visita all'ORNL. Utilizzando calcoli quantistici, i membri del gruppo hanno spostato l'atomo responsabile dello spostamento polare, il rame, attraverso la struttura cristallina e hanno calcolato l'energia potenziale. "Un risultato tipico per un materiale ferroelettrico è che hai due minimi energetici, o 'pozzi, ' per questo atomo; ognuno rappresenta un vettore di polarizzazione, uno rivolto verso l'alto, l'altro giù, " disse Pantelides. "Per questo materiale, la teoria prevedeva quattro minimi energetici, il che è estremamente insolito."

Il team di ricerca ha scoperto che i due minimi energetici aggiuntivi derivano da una seconda fase strutturale con il doppio dell'ampiezza di polarizzazione e con una posizione stabile per l'atomo di rame nel gap di van der Waals. Inoltre, le costanti piezoelettriche teoricamente previste per le due fasi polari in CIPS corrispondevano a quelle misurate sperimentalmente.

"Questa è la prima osservazione riportata delle proprietà piezoelettriche e ferroelettriche della fase ad alta polarizzazione, " disse Balke, il principale sperimentatore della squadra. "Si sapeva che il rame può andare nel vuoto, ma le conseguenze per le proprietà piezoelettriche e ferroelettriche non erano note. Ma alla fine, questo è ciò che forma bene il quadruplo."

Sabine Neumayer, un membro del team ORNL, aggiunto, "Il pozzo quadruplo apre molte interessanti opportunità, soprattutto perché possiamo controllare le transizioni tra questi quattro diversi stati di polarizzazione usando la temperatura, pressione e campi elettrici." Di solito, i ferroelettrici sono pensati come interruttori tra due stati. Nel CIPS, quattro stati sono accessibili.

"CIPS è uno dei primi materiali ferroelettrici che è nativamente compatibile con quasi tutti i materiali 2-D a causa della sua struttura di van der Waals. Ogni volta che hai forze di van der Waals, significa che puoi mettere insieme materiali 2D e separarli senza causare gravi danni strutturali, "Pietro Maksymovich, un altro autore corrispondente, disse. "La struttura di van der Waals è ciò che consente la scissione di cristalli sfusi per creare nanostrutture 2-D con superfici pulite".

Scienziati di tutto il mondo stanno correndo per creare un'interfaccia attiva per materiali 2-D come il grafene, un materiale dello spessore di un singolo atomo con mobilità degli elettroni molto elevata. "Immaginiamo che in futuro, un'interfaccia attiva al CIPS può controllare il grafene tramite piezoelettrico, proprietà ferroelettriche e altre proprietà reattive, " Ha detto Maksymovych. "Metterà l'intelligenza nel grafene."

Michael McGuire della Divisione Scienza e Tecnologia dei Materiali dell'ORNL è cresciuto e ha caratterizzato i cristalli dello studio con Michael Susner, ora al laboratorio di ricerca dell'aeronautica. "La competizione e la convivenza di più fasi nei cristalli rende questi materiali particolarmente emozionanti e interessanti, " ha detto. "La capacità di studiare materiali complessi come questi sia teoricamente che sperimentalmente su un'ampia gamma di scale di lunghezza con tecniche complementari rende possibile questo tipo di lavoro all'ORNL".

I ricercatori hanno condotto esperimenti presso il Center for Nanophase Materials Sciences dell'ORNL, dove la strumentazione e l'esperienza insuperabili hanno consentito misurazioni precise e analisi e interpretazione chiare di dati complessi. Gli esperimenti si basavano sulla microscopia a forza di risposta piezorisposta (PFM) per visualizzare e controllare i domini ferroelettrici su scale da milionesimi a miliardesimi di metri. Una sonda conduttiva affilata applica un campo elettrico alla superficie di un campione, e la deformazione indotta elettromeccanicamente del materiale è dedotta dallo spostamento della sonda.

"CNMS è l'istituzione leader mondiale nella microscopia a forza piezorisposta, " ha affermato Maksymovych. "Le persone vengono qui da tutto il mondo per misurare le proprietà dei loro campioni." Una grande attrazione è la stretta consultazione con i membri del gruppo PFM che forniscono quasi mezzo secolo di esperienza cumulativa da innovatori nella PFM come Sergei Kalinin e Stephen Jesse, e nomi importanti in teoria, come Panchapakesan Ganesh e Sokrates Pantelides, tutti autori di questo articolo. "Senza quella lunga esperienza, la misurazione stessa da sola potrebbe non aver prodotto l'immagine coerente che abbiamo ottenuto, " ha detto Balke.

Maksymovich ha aggiunto, "Interpretare i dati per i pozzi doppi è impegnativo. I pozzi quadrupli sono ancora più complessi perché ora hai più proprietà di commutazione. La sequenza di espansione e contrazione può sembrare bizzarra e poco chiara. Solo grazie allo sforzo di Nina e Sabine la bizzarria è stata normalizzata in modo da poter capire esattamente quello che sta succedendo."

Negli studi futuri, i ricercatori esamineranno le proprietà dinamiche, osservando i rapporti di alta e bassa polarizzazione nei materiali deformati; in movimento, stabilizzare e incorporare gli atomi della nuova fase per effettuare un interruttore; sondare sperimentalmente il comportamento previsto di materiali sotto pressione; e studiando come i domini ferroelettrici si riorientano dopo l'applicazione di un campo elettrico.

Il titolo dell'articolo è "Cristalli di van-der-Waals ferroelettrici a pozzetto quadruplo accordabili".