A la izquierda hay una imagen de microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) de baja resolución de un material ferroeléctrico que se clasifica continuamente a partir de titanato de bario y estroncio (BSTO, arriba) a titanato de bario (BTO, fondo). El material se hace crecer en un sustrato de escaneado de gadolinio (GSO) amortiguado por un electrodo inferior de rutenato de estroncio (SRO). A la derecha están los mapas 2D locales basados en difracción de nanohaz de los parámetros reticulares del eje a y del eje c que confirman grandes gradientes de deformación en el material ferroeléctrico. El material es prometedor como condensadores sintonizables eléctricamente con una estabilidad de temperatura extrema. Crédito:Anoop Damodaran / Berkeley Lab
Los científicos han ampliado enormemente el rango de temperaturas funcionales para ferroeléctricos, un material clave utilizado en una variedad de aplicaciones diarias, creando el primer gradiente de polarización en una película delgada.
El logro, informó el 10 de mayo en Comunicaciones de la naturaleza por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab), allana el camino para desarrollar dispositivos capaces de soportar comunicaciones inalámbricas en entornos extremos, desde el interior de los reactores nucleares hasta las regiones polares de la Tierra.
Los materiales ferroeléctricos son apreciados por tener una polarización espontánea que es reversible mediante un campo eléctrico aplicado y por la capacidad de producir cargas eléctricas en respuesta a la presión física. Pueden funcionar como condensadores, transductores, y osciladores, y se pueden encontrar en aplicaciones como tarjetas de tránsito, imágenes de ultrasonido, y sistemas de encendido por botón.
Los científicos de Berkeley Lab crearon una deformación y un gradiente químico en una película de titanato de bario-estroncio de 150 nanómetros de espesor, un material ferroeléctrico ampliamente utilizado. Los investigadores pudieron medir directamente los pequeños desplazamientos atómicos en el material utilizando microscopía avanzada de vanguardia en Berkeley Lab. encontrar gradientes en la polarización. La polarización varió de 0 a 35 microculombios por centímetro cuadrado a lo largo del espesor del material de película delgada.
Lanzando predicciones de libros de texto
"Los libros de texto tradicionales de física e ingeniería no habrían predicho esta observación, "dijo el investigador principal del estudio, Lane Martin, científico de la facultad de la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab y profesor asociado de materiales e ingeniería de UC Berkeley. "Crear gradientes en los materiales cuesta mucha energía (a la madre naturaleza no le gustan) y el material trabaja para nivelar esos desequilibrios de cualquier manera posible. Para que ocurra un gradiente grande como el que tenemos aquí, necesitábamos algo más en el material para compensar esta estructura desfavorable. En este caso, la clave son los defectos naturales del material, como cargas y vacantes de átomos, que acomodan el desequilibrio y estabilizan el gradiente de polarización ".
La creación de un gradiente de polarización tuvo el efecto beneficioso de expandir el rango de temperatura para un rendimiento óptimo del material ferroeléctrico. La función del titanato de bario depende en gran medida de la temperatura con efectos relativamente pequeños cerca de la temperatura ambiente y pico agudo en respuesta a alrededor de 120 grados Celsius. Esto hace que sea difícil lograr un control función confiable ya que la temperatura varía más allá de una ventana bastante estrecha. Para adaptar el material para que funcione en aplicaciones a temperatura ambiente y en torno a ella, los ingenieros afinan la química del material, pero el rango de temperaturas donde los materiales son útiles sigue siendo relativamente estrecho.
"El nuevo perfil de polarización que hemos creado da lugar a una respuesta dieléctrica casi insensible a la temperatura, que no es común en materiales ferroeléctricos, ", dijo Martin." Al hacer un gradiente en la polarización, el ferroeléctrico opera simultáneamente como un rango o continuo de materiales, brindándonos resultados de alto rendimiento en una ventana de 500 grados Celsius. En comparación, estándar, los materiales disponibles hoy en día darían las mismas respuestas en una ventana mucho más pequeña de 50 grados Celsius ".
Más allá de las obvias expansiones a entornos más cálidos y fríos, los investigadores notaron que este rango de temperatura más amplio podría reducir la cantidad de componentes necesarios en los dispositivos electrónicos y potencialmente reducir el consumo de energía de los teléfonos inalámbricos.
"El teléfono inteligente que tengo en la mano ahora tiene resonadores dieléctricos, cambiadores de fase, osciladores (más de 200 elementos en total) basados en materiales similares a los que estudiamos en este artículo, ", dijo Martin." Se necesitan alrededor de 45 de esos elementos para filtrar las señales que entran y salen de su teléfono celular para asegurarse de que tenga una señal clara. Esa es una gran cantidad de bienes raíces para dedicar a una función ".
Debido a que los cambios de temperatura alteran la resonancia de los materiales ferroeléctricos, se realizan ajustes constantes para hacer coincidir los materiales con la longitud de onda de las señales enviadas desde las torres de telefonía móvil. Se necesita energía para sintonizar la señal, y cuanto más desafinado está, cuanta más energía necesite usar el teléfono para obtener una señal clara para la persona que llama. Un material con un gradiente de polarización capaz de operar en regímenes de temperaturas elevadas podría reducir la potencia necesaria para sintonizar la señal.
Los detectores más rápidos permiten nuevas técnicas de imagen
Comprender el gradiente de polarización implicó el uso de deformación epitaxial, una estrategia en la que se hace crecer una capa cristalina sobre un sustrato, pero con un desajuste en la estructura reticular. Esta técnica de ingeniería de deformaciones, comúnmente empleado en la fabricación de semiconductores, ayuda a controlar la estructura y mejorar el rendimiento de los materiales.
Los avances recientes en microscopía electrónica han permitido a los investigadores obtener datos estructurales a escala atómica del titanato de bario-estroncio filtrado, y medir directamente la deformación y el gradiente de polarización.
"Hemos establecido una forma de utilizar la difracción de escaneo de nanohaz para registrar los patrones de difracción de cada punto, y luego analizar los conjuntos de datos en busca de datos de deformación y polarización, "dijo el coautor del estudio, Andrew Minor, director del Centro Nacional de Microscopía Electrónica de la Fundición Molecular de Berkeley Lab, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. "Este tipo de mapeo, pionera en Berkeley Lab, es nuevo y muy poderoso ".
Otro factor clave fue la velocidad del detector, Minor agregó. Para este papel, los datos se obtuvieron a una velocidad de 400 cuadros por segundo, un orden de magnitud más rápido que la tasa de 30 cuadros por segundo de hace unos pocos años. Esta técnica ahora está disponible para los usuarios de Foundry.
"Estamos viendo una revolución en la microscopía relacionada con el uso de detectores de electrones directos que está cambiando muchos campos de investigación". "dijo Minor, quien también tiene un nombramiento como profesor de ciencia e ingeniería de materiales de UC Berkeley. "Podemos ver y medir cosas a una escala que era difícil de imaginar hasta hace poco".
