Сегнетоэлектрические материалы используются в инфракрасных камерах, медицинском ультразвуке, компьютерной памяти и исполнительных механизмах, которые превращают электрические свойства в механические и наоборот. Однако большинство этих важных материалов содержат свинец и могут быть токсичными.
В течение последних 10 лет во всём мире предпринимаются масштабные усилия по поиску сегнетоэлектрических материалов, не содержащих свинца, — сказал Лорент Беллаиш, выдающийся профессор физики в Университете Арканзаса.
Атомы в сегнетоэлектрическом материале могут иметь более одной кристаллической структуры. Место встречи двух кристаллических структур называется фазовой границей, и свойства, которые делают сегнетоэлектрические материалы полезными, наиболее сильны на этих границах.
Используя химические процессы, учёные воздействовали на фазовые границы сегнетоэлектрических материалов на основе свинца, чтобы создать устройства с более высокими характеристиками и меньшими размерами. Однако химическая настройка фазовых границ бессвинцовых сегнетоэлектрических материалов была сложной задачей.
Новое исследование, проведённое группой, в которую входят Беллаиш и его коллеги-физики из Университета Арканзаса Киннари Патель и Сергей Просандеев, нашло способ улучшить бессвинцовые сегнетоэлектрики, используя деформацию или механическую силу, а не химический процесс. Это открытие может привести к созданию бессвинцовых сегнетоэлектрических компонентов, открывая новые возможности для устройств и датчиков, которые могут быть имплантированы в организм человека.
«Это крупное открытие», — сказал Беллаиш.
Результаты были опубликованы в журнале Nature Communications. Руижуань Сюй из Университета штата Северная Каролина была ведущим исследователем.
Сегнетоэлектрические материалы, впервые обнаруженные в 1920 году, имеют естественную электрическую поляризацию, которую можно изменить с помощью электрического поля. Эта поляризация сохраняется даже после удаления электрического поля.
Материалы являются диэлектриками, что означает, что их можно поляризовать с помощью электрического поля. Это делает их высокоэффективными в конденсаторах.
Сегнетоэлектрики также являются пьезоэлектриками, что означает, что они могут генерировать электрические свойства в ответ на механическую энергию и наоборот. Это свойство можно использовать в гидролокаторах, пожарных датчиках, крошечных динамиках в мобильных телефонах или исполнительных механизмах, которые точно формируют буквы в струйном принтере.
Все эти свойства можно улучшить, воздействуя на фазовую границу сегнетоэлектрических материалов.
«В сегнетоэлектрике на основе свинца, таком как цирконат-титанат свинца, можно химически настроить состав так, чтобы он оказался в нужной фазе», — сказала Патель.
Однако бессвинцовые сегнетоэлектрики содержат высоколетучие щелочные металлы, которые могут стать газом и испариться при химической настройке.
Вместо этого исследователи создали тонкую плёнку бессвинцового сегнетоэлектрического материала — ниобата натрия (NaNbO3). Известно, что этот материал имеет сложную кристаллическую структуру основного состояния при комнатной температуре. Он также гибкий. Учёные давно знают, что изменение температуры ниобата натрия может привести к появлению нескольких фаз или различных расположений атомов.
Вместо химического процесса или манипулирования температурой исследователи изменили структуру атомов в ниобате натрия с помощью деформации.
Они вырастили тонкую плёнку ниобата натрия на подложке. Структура атомов в ниобате натрия сжимается и расширяется, пытаясь соответствовать структуре атомов в подложке. Этот процесс создаёт напряжение в ниобате натрия.
«Что особенно примечательно в ниобате натрия, так это то, что если немного изменить длину, фазы сильно меняются», — сказал Беллаиш.
К удивлению исследователей, деформация привела к тому, что ниобат натрия одновременно приобрёл три различные фазы, что оптимизирует полезные сегнетоэлектрические свойства материала за счёт создания большего количества границ.
«Честно говоря, я ожидал, что если мы изменим деформацию, она перейдёт из одной фазы в другую. Но не сразу в три», — сказал Беллаиш. «Это было важное открытие».
Эксперименты проводились при комнатной температуре. Следующим шагом будет проверка того, реагирует ли ниобат натрия на деформацию таким же образом при экстремальных температурах в диапазоне от минус 270 °C до 1000 °C выше.
Другие авторы статьи «Индуцированная деформацией морфотропная фазовая граница без свинца» — исследователи из Университета штата Северная Каролина, Корнельского университета, Университета Дрекселя, Стэнфордского университета, Пенсильванского государственного университета, Аргоннской национальной лаборатории и Национальной лаборатории Ок-Риджа.
Предоставлено Университетом Арканзаса.