Lo stress migliora le proprietà di un materiale promettente per le tecnologie future.

I ricercatori dell'UNSW hanno scoperto un nuovo stato esotico di uno dei materiali multiferroici più promettenti, con interessanti implicazioni per le tecnologie future che utilizzano queste proprietà avanzate.

Combinando un attento equilibrio di deformazione del film sottile, distorsione e spessore, il team ha stabilizzato una nuova fase intermedia in uno dei pochi materiali multiferroici a temperatura ambiente conosciuti.

Lo studio teorico e sperimentale USA-Australia mostra che questa nuova fase ha una cifra di merito elettromeccanica superiore al doppio del suo valore abituale, e che possiamo anche trasformare facilmente tra questa fase intermedia in altre fasi utilizzando un campo elettrico.

Oltre a fornire una nuova e preziosa tecnica al toolkit di tutti gli scienziati internazionali dei materiali che lavorano con multiferroici ed epitassi, i risultati hanno finalmente fatto luce su come le tecniche epitassiali possono essere utilizzate per migliorare la risposta funzionale dei materiali per applicazioni future nei dispositivi di prossima generazione.

Lo stress cambia tutto

Se il 2020-21 ci ha insegnato qualcosa, è che lo stress cambia tutto. Anche la persona più "insieme" può lottare e cambiare, dato abbastanza stress nella loro vita.

Lo stesso vale per i cristalli, pure. Quando applichiamo stress ai cristalli, diventano tesi e possono cambiare drasticamente la loro struttura e le proprietà fisiche. La deformazione imposta su un materiale di solito spinge insieme o separa lungo (almeno) un asse, creando deformazioni di compressione e trazione.

La deformazione di film sottili sui substrati provoca la deformazione degli elementi costitutivi del film in modo che corrispondano alle dimensioni degli elementi costitutivi del substrato adiacente. Se le unità strutturali del substrato sono maggiori di quelle del film sottile (il quadrato blu), la pellicola (contorno bianco) si allungherà orizzontalmente (cioè, "tensione di trazione") e comprimere verticalmente per adattarsi.

D'altra parte, una cella della struttura del substrato più piccola (quadrato verde) farà sì che la struttura del film venga compressa orizzontalmente ("deformazione compressiva") e allungata verticalmente.

"Nella nostra ricerca, abbiamo applicato una deformazione anisotropica al nostro film. Ciò significa che lo sforzo applicato è diverso a seconda della direzione in cui stai guardando, e questo può creare stati di deformazione complicati che costringono i film a nuove fasi, " dice il primo autore Oliver Paull (UNSW).

BiFeO ₃ (o BFO) vanta un impressionante curriculum di proprietà multifunzionali, compresa la piezoelettricità, ferroelettricità, magnetismo e proprietà ottiche.

Il BFO ​​è probabilmente il materiale magnetoelettrico più popolare per i ricercatori (cioè, un materiale che ha un ordinamento sia magnetico che elettrico che può influenzarsi a vicenda).

I materiali magnetoelettrici sono molto interessanti per la spintronica e le applicazioni di memoria poiché l'accoppiamento tra magnetismo e ferroelettricità promette tecnologie a bassa energia. (Scrivere dati con un campo elettrico è molto più efficiente che scrivere con un campo magnetico.)

Non solo il BFO ​​è magnetoelettrico, ma è uno dei pochissimi materiali magnetoelettrici a temperatura ambiente, rendendolo praticabile per l'uso in applicazioni come la futura elettronica a basso consumo energetico, senza la necessità di un crio-raffreddamento ad alta intensità energetica.

Solo pochissimi materiali multiferroici (es. materiali che hanno sia un ordine magnetico che elettrico) mostrano queste proprietà utili a temperatura ambiente.

In aggiunta a questo, BFO vanta altre proprietà funzionali:piezoelettricità, ferroelettricità, effetti fotovoltaici, e altro ancora. È anche senza piombo, dandogli un chiaro vantaggio rispetto alla maggior parte dei materiali piezoelettrici ad alte prestazioni, che purtroppo contengono piombo tossico.

materiali piezoelettrici, che può convertire la pressione meccanica in energia elettrica, hanno ampie applicazioni come sensori ad altissima sensibilità in dispositivi come sensori di movimento per smartphone e pacemaker (dove evitare materiali tossici è un vantaggio).

Utilizzando substrati altamente errati, il team di ricerca ha spinto il BFO ​​in una nuova fase che è essenzialmente il collegamento tra le ben note fasi romboedriche e tetragonali.

Questo, accoppiato con le proprietà relative alla simmetria della fase, permette di essere facilmente influenzato da campi elettrici.

"Abbiamo esaminato la letteratura e abbiamo scoperto che tutti usano orientamenti di substrato commerciali abbastanza standard, ", afferma l'investigatore capo Daniel Sando. "Abbiamo chiesto ai nostri fornitori di personalizzare diversi orientamenti sbagliati tra gli orientamenti standard, che ha portato alla scoperta della nuova fase. Ci siamo chiesti se la ragione per cui le persone non l'hanno fatto prima è che la cristallografia coinvolta in questi errori di taglio è piuttosto complessa e può intimidire".

La collaborazione internazionale tra i ricercatori dell'Oak Ridge National Lab, Università dell'Arkansas, e Monash University, ha utilizzato calcoli teorici e una serie di tecniche sperimentali per dimostrare che questa nuova fase ha una risposta elettromeccanica molto più elevata rispetto al BFO ​​tradizionale.

"Mostriamo inoltre una forte evidenza che questa fase a bassa simmetria può essere convertita in una fase a più alta simmetria usando un campo elettrico, e di conseguenza può migliorare ulteriormente la risposta elettromeccanica di un fattore 3, "dice Oliver Paull.

Uno strumento multiuso:applicare l'approccio a un'ampia gamma di materiali a base di ossido

Uno degli aspetti più interessanti di questa scoperta è la sua metodologia generale e l'applicabilità a un'ampia classe di sistemi di materiali.

"Abbiamo scelto di concentrarci su BiFeO ₃ grazie al suo ferroelettrico, magnetico, e proprietà piezoelettriche, ma l'approccio è facilmente applicabile ad altri ossidi di perovskite, "dice Oliver Paull.

"Stiamo attualmente esplorando l'effetto di questi substrati ad alto indice su sistemi puramente ferroelettrici o magnetici, ma lo scopo per l'utilizzo di questa tecnica è enorme. Ci aspettiamo di trovare fasi a bassa simmetria di materiali otticamente interessanti, così come nuovi accordi di dominio in ferroelettrici, per dirne alcuni, " ha osservato Laurent Bellaiche, la guida teorica del progetto."

"Se hai a che fare con l'epitassia, allora questa tecnica anisotropa potrebbe rivelarsi molto fruttuosa per la tua ricerca, "dice Daniele Sando.

"Questo studio è solo l'inizio. Abbiamo in programma di combinare questo approccio di epitassia anisotropa ai superreticoli di ossido (strati ripetuti di diversa composizione, cioè A-B-A-B ecc.), oltre a combinare le strutture cristalline a bassa simmetria con altri percorsi stabiliti per migliorare la piezorisposta, compresa la sostituzione con elementi delle terre rare, Per esempio. Finalmente, poiché BFO è multiferroico, abbiamo una serie di studi magnetici pianificati per questa nuova fase a bassa simmetria", afferma Nagy Valanoor, capo del laboratorio dell'UNSW.

Esistono applicazioni ancora più ampie:i piezoelettrici utilizzati nei sensori e negli attuatori sono tipicamente composti a base di piombo in forma sfusa. Sebbene il nuovo approccio sia di nicchia e molto orientato alla ricerca, potrebbe esserci spazio affinché i nuovi metodi funzionino in settori quali i nanoattuatori oi sensori. L'aspetto chiave è l'uso dell'approccio dell'epitassia anisotropa per 1) generare una fase a bassa simmetria, e 2) facilitare i miglioramenti nella risposta; in questo caso, il coefficiente piezoelettrico.

"La stabilizzazione epitassiale anisotropa di un ferroelettrico a bassa simmetria con risposta elettromeccanica migliorata" è stata pubblicata in Materiali della natura a settembre 2020.