Osservazione di domini di bolle ferroelettriche indipendenti mediante microscopia a forza piezoresponse ad alta risoluzione:i due punti blu-bianchi (raggio di 4 nm) sul lato destro dell'immagine indicano bolle. Credito:Laboratorio Nazionale Argonne.)
Quando un mago tira fuori improvvisamente una tovaglia da un tavolo carico di piatti e bicchieri, c'è un momento di suspense mentre il pubblico si chiede se il palco sarà presto disseminato di vetri rotti. Finora, un dilemma analogo aveva dovuto affrontare gli scienziati che lavoravano con speciali bolle elettriche per creare la prossima generazione di dispositivi microelettronici e di accumulo di energia flessibili.
Gli scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno scoperto un nuovo modo per realizzare una versione su scala atomica del trucco della tovaglia staccando film sottili eterostrutturali contenenti bolle elettriche da un particolare materiale sottostante, o substrato, mantenendole completamente integro. La scoperta potrebbe avvicinarci di un passo a una serie di applicazioni che si basano su queste strutture insolite e fragili.
"Puoi pensarlo come se cercassi di rimuovere una casa dalle fondamenta. Normalmente, penseresti che la casa crollerebbe, ma abbiamo scoperto che ha mantenuto tutte le sue proprietà", ha affermato Saidur Bakaul, scienziato dei materiali di Argonne
"Le bolle sono molto fragili e inizialmente necessitano di particolari materiali sottostanti, chiamati substrati, e condizioni specifiche per far crescere le pellicole con esse", ha affermato Saidur Bakaul, scienziato dei materiali di Argonne. "Ci sono molti materiali di nostro interesse per i quali queste bolle potrebbero essere estremamente utili, come la plastica. Tuttavia, non siamo stati in grado di farle crescere direttamente su questi materiali. La nostra ricerca è il passo iniziale per rendere possibili le bolle".
Le bolle elettriche si trovano in una struttura ultrasottile a tre strati con proprietà elettriche alternate:ferroelettriche, poi dielettriche, poi ancora ferroelettriche. Le bolle in questa struttura multistrato sono costituite da dipoli appositamente ordinati, o cariche elettriche gemellate. L'orientamento di questi dipoli si basa sulla deformazione locale nel materiale e sulle cariche sulla superficie che fanno sì che i dipoli cerchino il loro stato energetico relativo più basso. Alla fine, le bolle elettriche (domini a bolle) si formano ma solo quando vengono soddisfatte determinate condizioni. Sono inoltre facilmente deformabili anche da piccole forze.
Nell'esperimento, i colleghi di Bakaul dell'Università del New South Wales hanno prima fatto crescere le bolle in una pellicola ultrasottile eterostruttura su un substrato di titanato di stronzio, uno dei materiali più facili su cui crearle. Quindi, Bakaul ha affrontato la sfida di rimuovere l'eterostruttura dal substrato mantenendo le bolle. "Puoi pensarlo come cercare di rimuovere una casa dalle sue fondamenta", ha detto. "Normalmente penseresti che la casa crollerebbe, ma abbiamo scoperto che ha mantenuto tutte le sue proprietà."
I domini delle bolle sono minuscoli. Hanno un raggio di soli 4 nanometri circa, larghi quanto un filamento di DNA umano. Pertanto, sono difficili da vedere. Nella divisione Scienza dei materiali di Argonne, le tecniche avanzate di microscopia con sonda a scansione con analisi della trasformata di Fourier consentono agli scienziati non solo di vederle, ma anche di quantificarne le proprietà nei film indipendenti.
Per stabilire che i domini delle bolle sono rimasti intatti, Bakaul ha misurato le loro proprietà elettroniche (capacità) e piezoelettriche attraverso due tecniche di microscopia:microscopia a impedenza a microonde a scansione e microscopia a forza piezoresponsa. Se le bolle si fossero disintegrate, la capacità sarebbe cambiata sotto una tensione applicata, ma Bakaul ha visto che è rimasta relativamente stabile fino a una tensione abbastanza alta.
Questi esperimenti hanno convalidato le stime numeriche della capacità ottenute dalle analisi teoriche che Bakaul e il suo studente hanno sviluppato combinando simulazioni atomistiche con la teoria dei circuiti. "La combinazione di esperimento e simulazione ha dimostrato in modo definitivo che queste bolle sono in grado di vivere anche quando vengono rimosse dal substrato originale. Era qualcosa che speravamo di ottenere da molto tempo", ha affermato Bakaul.
Quando le bolle sono state rimosse, la pellicola eterostruttura, che prima giaceva piatta come una tovaglia, ha improvvisamente assunto un aspetto increspato. Mentre Bakaul ha notato che molti potrebbero presumere che questo cambiamento avrebbe compromesso le proprietà delle bolle, ha scoperto che le bolle erano effettivamente protette da un cambiamento nella tensione incorporata dei materiali. Simulazioni atomistiche fatte dai colleghi di Bakaul all'Università dell'Arkansas hanno suggerito che l'energia elastica alle interfacce libere è l'origine della formazione dell'ondulazione.
Il risultato è entusiasmante, secondo Bakaul, perché queste bolle hanno proprietà elettriche e meccaniche insolite e intriganti. "Le bolle ferroelettriche sono oggetti su nanoscala scoperti di recente", ha detto. "C'è consenso nella comunità sul fatto che potrebbero avere molte applicazioni. Ad esempio, la trasformazione di queste bolle si traduce in una risposta elettromeccanica insolitamente elevata, che può avere applicazioni in un'ampia gamma di dispositivi nella microelettronica e nelle applicazioni energetiche."
Sebbene sia la fisica e non la magia a creare una potenziale nuova strada per l'integrazione di queste bolle, Bakaul ha indicato che le nuove tecnologie basate su di esse potrebbero avere un impatto trasformativo. "Che si tratti di raccoglitori di energia o supercomputer, queste bolle potrebbero fare una grande differenza per molti materiali e applicazioni diversi", ha affermato.
Un documento basato sulla ricerca è stato pubblicato nel numero del 19 settembre di Advanced Materials. + Esplora ulteriormente
