Новое исследование, проведённое под руководством материаловеда Лейна Мартина из Университета Райса, проливает свет на то, как экстремальная миниатюризация тонких плёнок влияет на поведение релаксорных сегнетоэлектриков — материалов с примечательными свойствами преобразования энергии, используемых в датчиках, актуаторах и наноэлектронике. Результаты показывают, что по мере уменьшения плёнки до размеров, сопоставимых со внутренними поляризационными структурами материалов, их фундаментальные свойства могут меняться неожиданным образом.

В центре внимания исследования находится свинцово-магниево-ниобатный титанат, или PMN-PT — широко используемый керамический материал, применяемый в различных областях от медицинской визуализации (ультразвук) и сбора энергии до газовых датчиков и многого другого.

В стремлении пролить свет на то, как внутренняя поляризационная структура PMN-PT развивается и действует на исчезающе малых масштабах, исследователи обнаружили, что прежде чем потерять свои особые способности, материал фактически улучшил свои свойства. Эта неожиданная «золотая середина» может открыть дверь новому поколению наноэлектронных устройств.

Источник: нейросеть DALL-E

Как релаксорный сегнетоэлектрик, PMN-PT отлично справляется с преобразованием энергии из одной формы в другую. Например, давление на тонкую плёнку этого материала генерирует напряжение, а приложение внешнего напряжения заставляет её менять форму. На атомном уровне его структура состоит из отрицательных и положительных атомов, которые могут перемещаться относительно друг друга, создавая локальные диполи. Эти диполи не выстраиваются равномерно по всему материалу, вместо этого они подвержены конкурирующим энергиям — одна стремится направить их случайным образом, а другая — выровнять в одном направлении.

В результате материал разбивается на полярные нанодомены — крошечные кластеры, в которых все диполи указывают примерно в одном направлении.

Эти самоорганизующиеся структуры поляризации внутри материала очень чувствительны ко внешним воздействиям из-за химической сложности материала и размера этих областей — в самом маленьком виде нанодомены PMN-PT имеют размер всего 5-10 нанометров. Никто на самом деле не знал, что произойдёт, если мы уменьшим весь материал до их размера

рассказала Джиюн Ким, доцент Корейского института передовых наук и технологий и первый автор исследования

Понимание того, как материалы ведут себя на крошечных масштабах, важно для развития миниатюрной электроники и других приложений. По мере уменьшения устройств требуются ультратонкие плёнки материалов, таких как PMN-PT, но подробные исследования, описывающие физику релаксоров на очень малых масштабах длины, «раньше не проводились», — отметила Ким.

«Мы предполагали, что по мере утончения плёнок PMN-PT их полярные нанодомены будут уменьшаться и в конечном итоге исчезнут вместе с желаемыми свойствами материала. Исследование подтвердило это ожидание, но мы также обнаружили нечто неожиданное», — добавил Лейн Мартин, профессор материаловедения и наноинженерии имени Роберта А. Уэлча и директор Института передовых материалов Райса.

Вместо того чтобы сразу деградировать, PMN-PT фактически работал лучше при уменьшении до точного диапазона 25-30 нанометров — примерно в 10 000 раз тоньше человеческого волоса. На этом масштабе фазовая стабильность материала — его способность сохранять свою структуру и функциональность при различных условиях — значительно улучшилась.

Синхротронные диффузные картины рассеяния от ультратонких пленок PMN-PT и эволюция эффектов нанодоменов из-за конечного размера. Автор: Jieun Kim

Чтобы раскрыть это поведение, исследователи использовали некоторые из самых передовых научных инструментов в мире. На Усовершенствованном фотонном источнике в Аргоннской национальной лаборатории учёные направили сверхяркие рентгеновские лучи на материал, чтобы исследовать его атомную структуру. Эта техника, известная как синхротронная рентгеновская дифракция, позволила наблюдать, как эволюционировали нанодомены по мере утончения материала.

«Мы сопоставили эти результаты с измерениями диэлектрических свойств, которые провели в нашей лаборатории, и дополнили картину, используя сканирующую просвечивающую электронную микроскопию для картирования поляризации с атомарным разрешением. Для самых тонких плёнок мы также провели молекулярно-динамическое моделирование — по сути, воссоздавая тонкие плёнки в компьютере — чтобы изучить структурную эволюцию полярных нанодоменов», — сказала Ким, которая начала проект четыре года назад под руководством Мартина в Калифорнийском университете в Беркли.

Вместе эти подходы обеспечили наиболее детальную на сегодняшний день картину поведения PMN-PT в наномасштабе. В то время как многие материалы теряют свои полезные свойства при экстремальном уменьшении размеров, PMN-PT демонстрирует то, что исследователи называют размерным «эффектом Златовласки», когда его свойства улучшаются, прежде чем в конечном итоге ухудшиться. Понимание этого эффекта может проложить путь к применениям, таким как наноэлектромеханические системы, ёмкостное накопление энергии (импульсная мощность), пироэлектрическое преобразование энергии, низковольтные магнитоэлектрические устройства и многое другое.

В дальнейшем учёные планируют изучить, как укладка ультратонких слоёв PMN-PT и подобных материалов — как создание «стопки» из различных функциональных слоёв — может создать новые материалы со свойствами, которые не существуют в природе. Эти инженерные материалы могут привнести много нового в сборе энергии, вычислениях с низким энергопотреблением и датчиках следующего поколения.

Подробнее на iXBT