Naukowcy opracowali technikę zwaną „atomowym malowaniem natryskowym”, wykorzystującą epitaksję z wiązek molekularnych w celu dostrojenia niobianu potasu w celu wzmocnienia jego właściwości ferroelektrycznych.
Metoda ta pozwala na precyzyjną manipulację właściwościami materiału, co ma potencjalne zastosowanie w zielonych technologiach, obliczenia kwantowei eksploracji kosmosu.
Strojenie naprężenia materiału
W jaki sposób naukowcy mogą precyzyjnie dostosować właściwości materiału do zaawansowanych zastosowań? Według zespołu kierowanego przez naukowców z Penn State odpowiedź leży w naruszeniu struktury atomowej materiału. Odkryli, że „atomowe malowanie natryskowe” niobianu potasu – kluczowego materiału w zaawansowanej elektronice – pozwala na wyjątkową kontrolę właściwości cienkowarstwowych. Ich ustalenia, opublikowane w Zaawansowane materiałymoże utorować drogę bardziej ekologicznym technologiom w elektronice użytkowej, sprzęcie medycznym i obliczeniach kwantowych.
Technika ta, znana jako dostrajanie naprężeń, modyfikuje właściwości materiału poprzez rozciąganie lub ściskanie jego atomowej komórki elementarnej — powtarzającego się układu atomów, który tworzy jego strukturę krystaliczną. Zespół zastosował epitaksję z wiązek molekularnych (MBE), metodę osadzania warstw atomowych na podłożu w celu utworzenia cienkich warstw. Stosując to podejście, udało im się z niezwykłą precyzją wytworzyć poddaną naprężeniom cienką warstwę niobianu potasu.
Nowatorskie podejścia w inżynierii materiałowej
„To był pierwszy przypadek uprawy niobianu potasu przy użyciu MBE” – powiedział Venkatraman „Venkat” Gopalan, profesor nauk o materiałach i inżynierii w Penn State oraz współautor badania. „Technika ta przypomina malowanie sprayem atomów na powierzchni”.
Według naukowców nowatorska technika MBE – w połączeniu z kryształem służącym jako matryca podłoża – powoduje naprężenie potrzebne do dostrojenia materiału.
„Ta metoda pozwala atomom w cienkich warstwach dostosować się do struktury atomowej podłoża, powodując odkształcenie” – mówi współautorka Sankalpa Hazra, doktorantka w dziedzinie nauk o materiałach i inżynierii. „Nawet niewielkie rozciągnięcie wynoszące około 1% może wytworzyć nacisk, którego nie można osiągnąć poprzez zwykłe pociągnięcie lub naciśnięcie tak kruchego materiału z zewnątrz. To ciśnienie może znacząco poprawić działanie materiału z ferroelektrycznego punktu widzenia.”
Właściwości i zastosowania ferroelektryczne
Nioban potasu to ferroelektryk, czyli klasa materiałów o naturalnej polaryzacji elektrycznej, którą można odwrócić poprzez przyłożenie zewnętrznego pola elektrycznego, podobnie jak magnesy mają polaryzację magnetyczną, którą można odwrócić za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego.
„Ferroelektryk przypomina mini baterię, która jest już z natury trwale naładowana” – powiedział Gopalan. „Mimo że ferroelektryki nie są powszechnie znane, ferroelektryki są obecne wszędzie w kluczowych technologiach, które w życiu codziennym uważamy za oczywiste. Na przykład Internet opiera się na przetwarzaniu sygnałów elektrycznych na optyczne, co odbywa się za pomocą kryształu ferroelektrycznego. Materiały te potrafią odwrócić swoją polaryzację elektryczną po przyłożeniu zewnętrznego pola elektrycznego, co sprawia, że są one również niezbędne w urządzeniach takich jak sprzęt ultradźwiękowy, kamery na podczerwień i precyzyjne siłowniki do zaawansowanych mikrourządzeń”.
Wspólne badania i rozwój
Aby „pomalować w sprayu” niobian potasu na potrzeby badań, Gopalan zwrócił się do byłego kolegi z Penn State, Darrella Schloma, który obecnie jest profesorem Uniwersytetu Tisch na Wydziale Nauki i Inżynierii Materiałowej na Uniwersytecie Cornell. Cienkie warstwy hodowano w finansowanej przez amerykańską National Science Foundation platformie hodowli cienkowarstwowej Platform for the Accelerated Realization, Analysis, and Discovery of Interface Materials (PARADIM), której Schlom współkieruje w Cornell. Schlom zauważył, że zarówno on, jak i Gopalan pracowali w Penn State nad pierwsze w historii strojenie naprężeń materiałów ferroelektrycznych około 20 lat temu.
„Nasza rola polegała na pomocy Venkatowi i Sankalpie w realizacji materiału, o którym Venkat marzył od dziesięcioleci” – powiedział Schlom. „Venkat zsyntetyzował nienaprężone cienkie warstwy tego materiału podczas swojej pracy doktorskiej w Cornell trzy dekady temu, więc wie, jak trudne może być jego hodowanie. W tej pracy mój uczeń Tobias Schwaigert i ja pomogliśmy im opracować ten materiał”.
Wpływ inżynierii odkształceń
Schlom wyjaśnił, że inżynieria odkształceń polega na nałożeniu na siebie dwóch materiałów o nieco odmiennych rozmiarach. Wyobraź sobie, że atomy spadają na powierzchnię zawierającą atomy tego samego typu, ale rozmieszczone w nieco innych odstępach. Jeśli dodawana warstwa jest wystarczająco cienka, lekko się rozciągnie lub skompresuje, dopasowując się do powierzchni znajdującej się pod nią. Niewielka zmiana odstępu powoduje naprężenie materiału, podobne do rozciągania gumki podczas ciągnięcia. Odkształcenie to, kontrolowane przez wielkość i rozmieszczenie atomów na powierzchni, prowadzi do zmian we właściwościach materiału, takich jak zwiększenie jego granic temperaturowych lub poprawa jego właściwości ferroelektrycznych.
„Wyższa siła sprzężenia między odkształceniem a polaryzacją w niobianie potasu w porównaniu z innymi ferroelektrykami stwarza wyjątkową okazję, w której stosunkowo niewielkie ilości odkształceń mogą skutkować kolosalnym dostrojeniem zarówno struktury ferroelektrycznej, jak i jej polaryzacji” – powiedział Hazra. „Główną konsekwencją tej wyjątkowej wrażliwości na odkształcenia jest to, że właściwości ferroelektryczne niobianu potasu można znacznie zwiększyć, nawet przewyższając właściwości tytanianu ołowiu lub tytanianu cyrkonianu ołowiu, które są uważane za przemysłowe standardy ferroelektryczności w zastosowaniach urządzeń”.
Konsekwencje środowiskowe i praktyczne
Hazra stwierdził, że szczególnie godne uwagi jest wykazanie dostosowania naprężenia niobianu potasu, ponieważ niobian potasu nie zawiera ołowiu. Chociaż ołów zwiększa toksyczność dla człowieka i stwarza zagrożenie dla środowiska, najlepsze materiały ferroelektryczne — takie jak tytanian ołowiu i tytanian cyrkonianu ołowiu — zazwyczaj zawierają ołów. Bez strojenia naprężenia właściwości ferroelektryczne niobianu potasu nie będą tak silne, jak jego odpowiedników ołowiu, ale Hazra stwierdził, że obecne badanie pokazuje potencjał niobianu potasu jako mocnego, a jednocześnie przyjaznego dla środowiska i bezpiecznego materiału ferroelektrycznego.
Według Hazry zespół badawczy odkrył również, że parametry ferroelektryczne niobianu potasu dostrojonego pod względem naprężeń pozostają stabilne nawet w wysokich temperaturach. Zazwyczaj materiały ferroelektryczne po podgrzaniu tracą polaryzację, co oznacza, że nie są już w stanie przełączać ładunku elektrycznego.
„W naszej pracy pokazaliśmy, że zastosowanie odkształcenia może zwiększyć temperaturę, w której materiał traci swoje właściwości ferroelektryczne” – powiedział Gopalan. „Jeszcze bardziej imponujące jest to, że przy odkształceniu zaledwie 1% możemy podnieść tę temperaturę do ponad 975 stopni Kelvina, czyli blisko punktu, w którym materiał zaczyna ulegać degradacji”.
Przyszłe kierunki i zastosowania
Następnie badacze muszą pokonać „poważną przeszkodę” w zastosowaniach praktycznych: hodowanie cienkich warstw na krzemie, który jest szeroko stosowany w przemyśle elektronicznym. Zespół Gopalana pracuje również nad poprawą właściwości elektrycznych materiału poprzez udoskonalenie procesu wzrostu folii. Umożliwiłoby to zastosowanie niobianu potasu o dostrojonym napięciu w praktycznych urządzeniach, takich jak wysokotemperaturowe magazynowanie pamięci do eksploracji kosmosu, obliczenia kwantowe i bardziej przyjazne dla środowiska urządzenia zaawansowane technologicznie.
„Dzięki dalszemu rozwojowi ta nowatorska wersja materiału może stać się kluczowym czynnikiem w następnej generacji ekologicznych, wysokowydajnych technologii, które będą miały wpływ na wszystko, od naszych urządzeń osobistych po eksplorację kosmosu” – powiedział Gopalan.
Odniesienie: „Kolosalne strojenie naprężeń przejść ferroelektrycznych w KNbO3 Thin Films” autorstwa Sankalpa Hazra, Tobiasa Schwaigerta, Aidena Rossa, Haidong Lu, Utkarsh Saha, Victora Trinqueta, Betul Akkopru-Akgun, Benjamina Z. Gregory’ego, Anudeep Mangu, Suchismita Sarker, Tatiana Kuznetsova, Saugata Sarker, Xin Li, Matthew R. Barone, Xiaoshan Xu, John W. Freeland, Roman Engel-Herbert, Aaron M. Lindenberg, Andrej Singer, Susan Trolier-McKinstry, David A. Muller, Gian-Marco Rignanese, Salva Salmani-Rezaie, Vladimir A. Stoica, Alexei Gruverman, Long-Qing Chen, Darrell G. Schlom i Venkatraman Gopalan, 12 listopada 2024 r., Zaawansowane materiały.
DOI: 10.1002/adma.202408664
Oprócz Gopalana, Hazry, Schwaigerta i Schloma innymi autorami badania z Departamentu Nauki i Inżynierii Materiałów stanu Penn są Aiden Ross, doktorant; Utkarsh Saha, Tatiana Kuznetsova i Saugata Sarker, wszyscy absolwenci asystenci naukowi; Betul Akkopru-Akgun, adiunkt; Susan Trolier-McKinstry, profesor Uniwersytetu Evan Pugh i profesor nauk ceramicznych i inżynierii w Flaschen; Vladimir A. Stoica, profesor nadzwyczajny; oraz Long-Qing Chen, profesor Hamer w dziedzinie nauk o materiałach i inżynierii, profesor nauk technicznych, mechaniki i matematyki. Inni współautorzy to Haidong Lu, Xin Li, Xiaoshan Xu i Alexei Gruverman z Uniwersytetu Nebraski; Victor Trinquet i Gian-Marco Rignanese, Instytut Materii Skondensowanej i Nanonauk w Belgii; Benjamin Z. Gregory, Suchismita Sarker, Matthew R. Barone, Andrej Singer i David A. Muller, Cornell University; Anudeep Mangu i Aaron M. Lindenberg, Uniwersytet Stanforda; John W. Freeland, Laboratorium Narodowe Argonne; Roman Engel-Herbert, Instytut Elektroniki Półprzewodnikowej im. Paula Drude’a; i Salva Salmani-Rezaie z Uniwersytetu Stanowego Ohio.
Badania te wsparły między innymi Departament Energii Stanów Zjednoczonych i amerykańska Narodowa Fundacja Nauki.
