I ricercatori del dipartimento Technion di scienza e ingegneria dei materiali sono riusciti a modificare le proprietà elettriche di un materiale liberando un atomo di ossigeno dalla struttura originale. Le possibili applicazioni includono la miniaturizzazione di dispositivi elettronici e il rilevamento delle radiazioni.

Cosa hanno in comune l'imaging a ultrasuoni di un feto, la comunicazione mobile cellulare, i micromotori e le memorie dei computer a basso consumo energetico? Tutte queste tecnologie si basano su materiali ferroelettrici, caratterizzati da una forte correlazione tra la loro struttura atomica e le proprietà elettriche e meccaniche.

I ricercatori del Technion-Israel Institute of Technology sono riusciti a modificare le proprietà dei materiali ferroelettrici liberando un singolo atomo di ossigeno dalla struttura originale. La svolta potrebbe aprire la strada allo sviluppo di nuove tecnologie. La ricerca è stata guidata dall'assistente professore Yachin Ivry del Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali, accompagnato dal ricercatore post-dottorato Dr. Hemaprabha Elangovan e dal Ph.D. studente Maya Barzilay, ed è stato pubblicato su ACS Nano . Si noti che la progettazione di una vacanza individuale di ossigeno rappresenta una sfida considerevole a causa del peso ridotto degli atomi di ossigeno.

Nei materiali ferroelettrici, un leggero spostamento degli atomi provoca variazioni significative nel campo elettrico e nella contrazione o espansione del materiale. Questo effetto è il risultato del fatto che l'unità ripetitiva di base nel materiale contiene atomi organizzati in una struttura asimmetrica.

Per spiegare ulteriormente ciò, i ricercatori utilizzano il materiale ferroelettrico seminale, il titanato di bario, i cui atomi formano una struttura reticolare a forma di cubo. In questi materiali si verifica un fenomeno unico:l'atomo di titanio si allontana dagli atomi di ossigeno. Poiché il titanio è caricato positivamente e l'ossigeno è caricato negativamente, questa separazione crea una polarizzazione, o in altre parole, un momento di dipolo elettrico.

Un reticolo cubico ha sei facce, quindi gli atomi carichi si spostano in una delle sei possibilità. In diverse parti del materiale, un gran numero di atomi vicini si sposta nella stessa direzione e la polarizzazione in ciascuna di queste aree, nota come dominio ferroelettrico, è uniforme. Le tecnologie tradizionali si basano sul campo elettrico creato in quei domini. Tuttavia, negli ultimi anni, un grande sforzo è stato rivolto a ridurre al minimo le dimensioni del dispositivo e utilizzare i bordi, o muri, tra i domini piuttosto che i domini stessi, convertendo così i dispositivi da strutture tridimensionali a bidimensionali strutture.

La comunità di ricerca è rimasta divisa su ciò che accade nel mondo bidimensionale dei muri di domini:come viene stabilizzato il confine tra due domini con diversa polarizzazione elettrica? La polarizzazione nei muri di dominio è diversa dalla polarizzazione nei domini stessi? Le proprietà del muro di dominio possono essere controllate in modo localizzato? Il grande interesse nell'affrontare queste domande nasce dal fatto che un materiale ferroelettrico nella sua forma naturale è un ottimo isolante elettrico. Tuttavia, le pareti del dominio possono essere conduttive elettricamente, formando così un oggetto bidimensionale controllabile dalla volontà. Questo fenomeno comprende il potenziale per ridurre significativamente il consumo di energia dei dispositivi di archiviazione e elaborazione dati.

In questo progetto, i ricercatori sono riusciti a decifrare la struttura atomica e il dispiegamento del campo elettrico nelle pareti dei domini su scala atomica. Nel loro recente articolo, corroborano l'ipotesi che i muri di dominio consentano l'esistenza di un confine bidimensionale tra i domini a causa della parziale assenza di ossigeno in aree comuni a due domini, consentendo così una maggiore flessibilità nell'implementazione del locale campo elettrico. Sono riusciti a indurre ingegneristicamente una vacanza individuale di atomi di ossigeno e hanno dimostrato che questa azione crea dipoli opposti e una maggiore simmetria elettrica, una struttura topologica unica chiamata quadrupolo.

Con l'aiuto delle simulazioni al computer di Shi Liu della Westlake University in Cina, i ricercatori hanno dimostrato che l'ingegneria della vacanza dell'atomo di ossigeno ha un grande impatto sulle proprietà elettriche del materiale non solo su scala atomica, ma anche su scala rilevante ai dispositivi elettronici, ad esempio in termini di conducibilità elettrica. Il significato è che è probabile che l'attuale risultato scientifico sia di aiuto nella miniaturizzazione di dispositivi di questo tipo e nella riduzione del loro consumo energetico.

In collaborazione con i ricercatori del Centro di ricerca nucleare del Negev, il gruppo di ricerca Technion ha anche dimostrato che le vacanze di ossigeno possono essere progettate esponendo il materiale alle radiazioni elettroniche. Di conseguenza, oltre al potenziale tecnologico della scoperta nell'elettronica, potrebbe anche essere possibile utilizzare l'effetto per i rivelatori di radiazioni, consentendo il rilevamento precoce e la prevenzione di incidenti nucleari, come quello accaduto nel 2011 a Fukushima , Giappone. + Esplora ulteriormente

Lo studio sfida le idee standard sulla piezoelettricità nei cristalli ferroelettrici