Потенциал использования низкоэнергетического света для формирования сегнетоэлектрических тонких плёнок для микроустройств активно развивается. Международная группа исследователей недавно сообщила об успехе в области «фотострикции».
Фотострикционный эффект: преобразование энергии фотонов в механическое движение
Использование света для индуцирования нетермической деформации материалов, или фотострикции, имеет преимущество в виде прямого преобразования энергии фотонов в механическое движение. Это открывает захватывающие возможности для беспроводных датчиков, работающих от света, и оптомеханических устройств, говорит доктор Панкадж Шарма из Университета Флиндерса.
История и исследования
С момента открытия в 1960-х годах учёные исследовали фотострикцию в различных материалах — от полупроводников и оксидов до сегнетоэлектриков и полимеров. Однако многие из этих систем сталкиваются с проблемами.
«Обычные полупроводники демонстрируют слабые реакции, материалы на основе свинца вызывают экологические опасения, а некоторые светочувствительные соединения нестабильны», — говорит старший преподаватель физики Университета Флиндерса доктор Панкадж Шарма, ведущий и соответствующий автор новой статьи, опубликованной в ACS Nano.
Новое исследование
Статья озаглавлена «Гигантская фотострикция и оптически модулируемая сегнетоэлектричность в BiFeO₃».
«Сегнетоэлектрики, электрические аналоги магнитов, обещают много, но в основном ограничены ультрафиолетовым светом, а эпитаксиальные тонкие плёнки, выращенные на подложках, ограничены своими носителями», — отмечает он.
Теперь исследовательская группа продемонстрировала значительные фотострикционные эффекты под воздействием видимого света в неограниченных тонких плёнках BiFeO₃ — мультиферроика.
BiFeO₃, или феррит висмута, представляет собой неорганическое соединение со структурой перовскита, являющееся мультиферроиком при комнатной температуре, что означает, что он проявляет как сегнетоэлектрические, так и антиферромагнитные свойства. Его способность контролировать магнитные и электрические свойства с помощью внешних полей делает его перспективным материалом для новых электронных и спинтронических устройств, а также для таких применений, как фотокатализ и накопление энергии.
Новое исследование показывает, что эти наноструктурированные плёнки, созданные с помощью недорогого масштабируемого процесса спрей-пиролиза, демонстрируют рекордно высокие световые деформации при использовании удивительно низкой оптической мощности.
«Свет может точно контролировать внутреннюю структуру и электронные реакции этих плёнок», — говорит доктор Шарма из Колледжа наук и инженерии Университета Флиндерса. «Это указывает на будущее, в котором микроустройства могут быть приведены в действие и управляться исключительно светом».
Доктор Хаозе Чжан, постдокторант и первый автор исследования в Университете Флиндерса, добавляет: «Эти материалы могут стать основой для светоуправляемых исполнительных механизмов, беспроводных датчиков и автономных оптомеханических систем».
Ключ к успеху
Ключ заключается в неограниченных нанокристаллических плёнках BiFeO₃, которые имеют плотную сеть доменных стенок — атомарно тонких границ внутри кристалла.
«При освещении эти стенки эффективно разделяют фотоиндуцированные носители заряда, в то время как нанокристаллы движутся более свободно, генерируя сильные электромеханические отклики», — объясняет доктор Чжан.
«Результирующая фотострикция в пять раз больше, чем у объёмных кристаллов BiFeO₃, конкурируя с передовыми галогенидными перовскитами, но без их проблем со стабильностью или токсичностью», — отмечает он.
Настраивая длину волны и интенсивность света, команда продемонстрировала точный контроль над пьезоэлектрическими и сегнетоэлектрическими свойствами, создав универсальную платформу для энергоэффективных многофункциональных наноустройств.
Предоставлено Университетом Флиндерса.