Conosciuta come piezoelettricità, la capacità di scambiare tra stress meccanico e carica elettrica può essere ampiamente sfruttata in condensatori, attuatori, trasduttori e sensori come accelerometri e giroscopi per l’elettronica di prossima generazione. Tuttavia, l'integrazione di questi materiali in sistemi miniaturizzati è stata difficile a causa della tendenza dei materiali elettromeccanicamente attivi a, su scala submicrometrica, quando lo spessore è di pochi milionesimi di pollice, ad essere "bloccati" dal materiale a cui sono attaccati. , il che riduce notevolmente le loro prestazioni.

I ricercatori e i collaboratori della Rice University presso l'Università della California, Berkeley, hanno scoperto che una classe di materiali elettromeccanicamente attivi chiamati antiferroelettrici può contenere la chiave per superare le limitazioni prestazionali dovute al bloccaggio nei sistemi elettromeccanici miniaturizzati.

Un nuovo studio pubblicato su Nature Materials riporta che un modello di sistema antiferroelettrico, zirconato di piombo (PbZrO₃ ), produce una risposta elettromeccanica che può essere fino a cinque volte maggiore di quella dei materiali piezoelettrici convenzionali anche in pellicole di soli 100 nanometri (o 4 milionesimi di pollice) di spessore.

"Utilizziamo materiali piezoelettrici da decenni", ha affermato Lane Martin, scienziato dei materiali della Rice, autore corrispondente dello studio. "Recentemente c'è stata una forte motivazione per integrare ulteriormente questi materiali in nuovi tipi di dispositivi molto piccoli, come si vorrebbe fare, ad esempio, per un microchip inserito nel telefono o nel computer. Il problema è che questi materiali sono in genere sono semplicemente meno utilizzabili su scala così ridotta."

Secondo gli attuali standard di settore, si ritiene che un materiale abbia prestazioni elettromeccaniche molto buone se può subire un cambiamento dell’1% nella forma, o nella deformazione, in risposta a un campo elettrico. Per un oggetto che misura 100 pollici di lunghezza, ad esempio, ottenere 1 pollice in più o in meno rappresenta una deformazione dell'1%.

"Dal punto di vista della scienza dei materiali, questa è una risposta significativa, poiché la maggior parte dei materiali duri può cambiare solo di una frazione di punto percentuale", ha affermato Martin, Robert A. Welch Professor, professore di scienza dei materiali e nanoingegneria e direttore del Rice Advanced Istituto dei Materiali.

Quando i materiali piezoelettrici convenzionali vengono ridotti a sistemi di dimensioni inferiori a un micrometro (1.000 nanometri), le loro prestazioni generalmente si deteriorano in modo significativo a causa dell’interferenza del substrato, che smorza la loro capacità di cambiare forma in risposta al campo elettrico o, al contrario, a generare tensione in risposta a un cambiamento di forma.

Secondo Martin, se le prestazioni elettromeccaniche fossero valutate su una scala da 1 a 10, dove 1 è la prestazione più bassa e 10 è lo standard industriale della deformazione dell'1%, allora ci si aspetta che il bloccaggio riduca la risposta elettromeccanica dei piezoelettrici convenzionali da 10 a 10. l'intervallo 1-4.

"Per capire come il bloccaggio influisce sul movimento, immagina innanzitutto di essere sul sedile centrale di un aereo senza nessuno su entrambi i lati:saresti libero di regolare la tua posizione se ti senti a disagio, surriscaldato, ecc.", ha detto Martin. "Ora immagina lo stesso scenario, tranne che ora sei seduto tra due enormi uomini di linea offensivi della squadra di football di Rice. Saresti 'schiacciato' tra loro in modo tale da non poter davvero modificare in modo significativo la tua posizione in risposta a uno stimolo."

I ricercatori volevano capire come i film molto sottili di antiferroelettrici – una classe di materiali rimasta poco studiata fino a poco tempo fa a causa della mancanza di accesso alle versioni “modello” dei materiali e alla loro struttura e proprietà complesse – cambiassero forma in risposta alla tensione. e se fossero ugualmente suscettibili al bloccaggio.

Innanzitutto, hanno sviluppato film sottili del materiale antiferroelettrico modello PbZrO₃ con un controllo molto accurato dello spessore, della qualità e dell'orientamento del materiale. Successivamente, hanno eseguito una serie di misurazioni elettriche ed elettromeccaniche per quantificare le risposte dei film sottili alla tensione elettrica applicata.

"Abbiamo scoperto che la risposta era considerevolmente maggiore nei film sottili di materiale antiferroelettrico rispetto a quella ottenuta in geometrie simili di materiali tradizionali", ha affermato Hao Pan, ricercatore post-dottorato nel gruppo di ricerca di Martin e autore principale dello studio.

Misurare il cambiamento di forma su scala così piccola non è stata un’impresa facile. In effetti, l'ottimizzazione della configurazione di misurazione ha richiesto così tanto lavoro che i ricercatori hanno documentato il processo in una pubblicazione separata.

"Con la configurazione di misurazione perfezionata, possiamo ottenere una risoluzione di due picometri, ovvero circa un millesimo di nanometro", ha detto Pan. "Ma solo mostrare che è avvenuto un cambiamento di forma non significa che capiamo cosa sta succedendo, quindi abbiamo dovuto spiegarlo. Questo è stato uno dei primi studi a rivelare i meccanismi alla base di queste elevate prestazioni."

Con il supporto dei loro collaboratori del Massachusetts Institute of Technology, i ricercatori hanno utilizzato un microscopio elettronico a trasmissione all'avanguardia per osservare il cambiamento di forma del materiale su scala nanometrica con risoluzione atomica in tempo reale.

"In altre parole, abbiamo osservato l'attuazione elettromeccanica mentre avveniva, in modo da poter vedere il meccanismo che determina i grandi cambiamenti di forma", ha detto Martin. "Quello che abbiamo scoperto è che c'è un cambiamento indotto dalla tensione elettrica nella struttura cristallina del materiale, che è come l'unità di costruzione fondamentale o il singolo tipo di blocco Lego da cui è costruito il materiale. In questo caso, quel blocco Lego ottiene allungato in modo reversibile con la tensione elettrica applicata, dandoci una grande risposta elettromeccanica."

Sorprendentemente, i ricercatori hanno scoperto che non solo il serraggio non interferisce con le prestazioni del materiale, ma anzi le migliora. Insieme ai collaboratori del Lawrence Berkeley National Laboratory e del Dartmouth College, hanno ricreato il materiale a livello computazionale per ottenere un'altra visione di come il bloccaggio influisce sull'attuazione sotto tensione elettrica applicata.

"I nostri risultati sono il culmine di anni di lavoro su materiali correlati, compreso lo sviluppo di nuove tecniche per analizzarli", ha affermato Martin. "Capendo come far funzionare meglio questi materiali sottili, speriamo di consentire lo sviluppo di dispositivi elettromeccanici più piccoli e più potenti o sistemi microelettromeccanici (MEMS) - e persino sistemi nanoelettromeccanici (NEMS) - che utilizzano meno energia e possono fare cose che non avremmo mai pensato possibili prima."