Группа исследователей в США под эгидой Университета штата Пенсильвания (Penn State) разработала и создала новый ферроэлектрический материал с уникальной микроструктурой, что открывает путь к бессвинцовым пьезоэлектрическим материалам для электроники, датчиков и накопителей энергии, более безопасным для их использования человеком. Об этом сообщает портал Nanowerk. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Сегнетоэлектрики – это класс материалов, которые способны вызывать спонтанную электрическую поляризацию при приложении внешнего электрического заряда (когда положительные и отрицательные заряды в материалах расходятся к разным полюсам).
Эти материалы также обладают пьезоэлектрическими свойствами, что означает, что материал генерирует электрический заряд под действием приложенной механической силы. На практике это позволяет сегнетоэлектрикам производить электричество, черпая энергию из таких источников, как тепло, движение или даже шум, которая в противном случае затрачивается впустую.
Кроме того, сегнетоэлектрические материалы особенно полезны для устройств хранения данных. Поскольку они могут оставаться в одном поляризованном состоянии без дополнительной энергии, это делает их привлекательными для энергосберегающего хранения данных и других важных сторон работы электроники. Они также широко используются в таком оборудовании, как переключатели, важные медицинские устройства (в том числе мониторы сердечного ритма и ультразвука), накопители энергии и приводы.
Однако самые прочные (и поэтому наиболее применимые в производственных целях) варианты пьезоэлектрических материалов содержат свинец, что является серьезной проблемой, учитывая, что свинец токсичен для людей и животных.
Решить эту проблему удалось научно-исследовательской группе Penn State в сотрудничестве с коллегами из Университета Рутгерса и Калифорнийского университета в Мерседе. Исследователи начали свою работу, синтезировав манганат кальция Ca3Mn2O7 (CMO) – новый гибридный сегнетоэлектрический материал с некоторыми особыми свойствами.
«Принцип создания этого материала состоял в объединении движения небольших октаэдров атомов кислорода в исходном материале, способные наклоняться и вращатьсяс образованием двойных бислойных полярных нанообластей в структуре CMO. Таким образом мы объединяем вращение и наклон октаэдров для получения сегнетоэлектричества. Он считается «гибридом», потому что представляет собой комбинацию двух движений октаэдров, создающих поляризацию для сегнетоэлектричества, и считается несколько «неправильным» сегнетоэлектриком, поскольку поляризация возникает как вторичный эффект», – пояснил Лейсинь Мяо, докторант в области материаловедения Penn State и первый автор исследования.
Помимо этого, была отмечена уникальная характеристика микроструктуры CMO, пока что не нашедшая объяснения у исследователей. При комнатной температуре в кристалле сосуществуют несколько полярных и неполярных фаз, и эти сосуществующие фазы коррелируют с отрицательным тепловым расширением. Иными словами, если материал при нагревании обычно расширяется, то этот – сжимается.
Чтобы лучше понять это, исследователи использовали просвечивающую электронную микроскопию атомного масштаба. Было очень удивительно наблюдать двойные бислойные полярные нанообласти в кристаллах CMO. Насколько нам известно, такая микроструктура впервые была непосредственно отображена в слоистых перовскитовых материалах», – отметил Мяо.
По словам исследователей, раньше никогда не наблюдалось, что происходит с материалом, который проходит через такой сегнетоэлектрический фазовый переход. Но с помощью электронной микроскопии они могли контролировать материал и то, что происходило во время фазового перехода.
Тем не менее, результаты этого исследования позволяют со временем разработать бессвинцовые мощные пьезоэлектрические материалы. «Существование полярных нанообластей считается полезным для пьезоэлектрических свойств, и теперь мы показали, что с помощью инженерии дефектов мы можем разработать новые прочные пьезоэлектрические кристаллы, которые в конечном итоге заменят все свинецсодержащие материалы для ультразвуковых или приводных приложений», – подчеркнул Мяо.