Adottando un approccio "dal basso verso l'alto", ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno osservato per la prima volta che "le dimensioni contano" per quanto riguarda la "piroelettricità", la corrente/tensione sviluppata in risposta alle fluttuazioni di temperatura che consente tecnologie come sensori a infrarossi, visione notturna, e unità di conversione dell'energia, per dirne alcuni.
"Controllo e manipolazione del calore per applicazioni come la raccolta di energia termica di scarto, tecnologie di raffreddamento integrate, emissione di elettroni, e funzioni correlate è un campo di studio entusiasmante oggi, " ha spiegato Lane Martin, un assistente professore di scienza dei materiali e ingegneria all'Illinois. "Tradizionalmente, questi sistemi si sono basati su materiali sfusi, ma i futuri dispositivi su scala nanometrica richiederanno sempre più film sottili ferroelettrici.
"Misurare la risposta piroelettrica dei film sottili è difficile e ha limitato la comprensione della fisica della piroelettricità, spingendo alcuni a etichettarlo come "una delle proprietà meno conosciute dei materiali solidi", Martin ha aggiunto. "Questo lavoro fornisce la modellazione più completa e dettagliata e lo studio sperimentale di questa regione di materiali ampiamente sconosciuta e ha implicazioni dirette per i dispositivi di prossima generazione".
I ricercatori hanno scoperto che la riduzione delle dimensioni dei ferroelettrici aumenta la loro suscettibilità agli effetti indotti dalle dimensioni e dalla deformazione. La carta del gruppo, "Effetto delle pareti del dominio a 90 gradi e del disadattamento dell'espansione termica sulle proprietà piroelettriche del PbZr epitassiale 0.2 Ti 0.8 oh 3 pellicole sottili, " appare sul giornale Lettere di revisione fisica .
"Ciò che abbiamo fatto in questo lavoro è stato sviluppare un nuovo approccio per utilizzare e comprendere una classe di materiali importanti per tutte queste applicazioni, " Martin ha detto. "Passando a un approccio "dal basso verso l'alto" che produce versioni su scala nanometrica di questi materiali come film sottili, abbiamo osservato, per la prima volta, che determinate caratteristiche, vale a dire muri di dominio, può essere incredibilmente importante e persino dominare la risposta e le prestazioni dipendenti dalla temperatura di questi materiali".
Secondo J. Karthik, il primo autore sulla carta del gruppo, l'epitassia a film sottile è stata sviluppata per fornire una serie di parametri (ad es. composizione cinematografica, deformazione epitassiale, condizioni elettriche al contorno, e spessore) che consentono un controllo preciso dei ferroelettrici ed è stato determinante nella comprensione della fisica degli effetti dielettrici e piezoelettrici.
"Abbiamo studiato il contributo delle pareti del dominio a 90º e della mancata corrispondenza dell'espansione termica alla piroelettricità nel PbZr ferroelettrico 0.2 Ti 0.8 oh 3 pellicole sottili, un materiale ampiamente utilizzato le cui proprietà ferroelettriche e piezoelettriche sono ben comprese, " ha spiegato Karthik. Come parte di questo lavoro, Il gruppo di ricerca Prometheus di Martin ha sviluppato e applicato i primi modelli fenomenologici per includere contributi estrinseci e secondari alla piroelettricità nei film polidominiali e prevedere contributi estrinseci significativi (derivanti dal movimento dipendente dalla temperatura delle pareti dei domini) e grandi contributi secondari (derivanti dalla mancata corrispondenza dell'espansione termica tra pellicola e supporto).
"Abbiamo anche sviluppato e applicato un nuovo processo di misurazione della corrente piroelettrica sensibile alla fase per misurare per la prima volta i film sottili e rivelare un drammatico aumento del coefficiente piroelettrico con una frazione crescente di domini orientati nel piano e una mancata corrispondenza dell'espansione termica coerente con questi modelli , " ha detto Karthik.
"Stabilendo una comprensione della scienza di questi effetti, con modelli per prevederne le prestazioni, e tecniche dimostrate per fabbricare e utilizzare queste proprietà in versioni su nanoscala di questi materiali, le loro proprietà possono essere efficacemente integrate nell'elettronica esistente, " disse Martino.
