Los científicos han ampliado enormemente el rango de temperaturas funcionales para los ferroeléctricos, un material clave utilizado en una variedad de aplicaciones diarias, al crear el primer gradiente de polarización en una película delgada.
El logro, informado 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 ambientes extremos, desde el interior de reactores nucleares hasta las regiones polares de la Tierra.
Los materiales ferroeléctricos son apreciados por tener una polarización espontánea que es reversible por 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 enaplicaciones tales 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 diminutos desplazamientos atómicos en el material utilizando microscopía avanzada de vanguardiaen Berkeley Lab, encontrando 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.
Lanzamiento de predicciones de libros de texto
"Los libros de texto tradicionales de física e ingeniería no hubieran predicho esta observación", dijo el investigador principal del estudio Lane Martin, científico de la facultad de la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y profesor asociado de materiales e ingeniería de UC Berkeley. "Crear gradientes en materiales cuesta muchode energía - a la madre naturaleza no le gustan - y el material trabaja para nivelar tales desequilibrios de cualquier manera posible. Para que ocurra un gran gradiente como el que tenemos aquí, necesitábamos algo más en el material paracompensar esta estructura desfavorable. En este caso, la clave son los defectos que ocurren naturalmente en el material, como cargas y vacíos 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 un pico grande y agudo en respuesta a alrededor de 120 gradosCelsius. Esto hace que sea difícil lograr una función confiable y bien controlada, ya que la temperatura varía más allá de una ventana bastante estrecha. Para adaptar el material para que funcione en aplicaciones en y alrededor de la temperatura ambiente, los ingenieros ajustan la química del material, pero el rango detemperaturas en las que los materiales son útiles sigue siendo relativamente estrecha.
"El nuevo perfil de polarización que hemos creado da lugar a una respuesta dieléctrica casi insensible a la temperatura, que no es común en los materiales ferroeléctricos", dijo Martin. "Al hacer un gradiente en la polarización, el ferroeléctrico opera simultáneamente como un rango ocontinuo de materiales, lo que nos brinda resultados de alto rendimiento en una ventana de 500 grados Celsius. En comparación, los materiales estándar disponibles en la actualidad darían las mismas respuestas en una ventana de 50 grados Celsius mucho más pequeña ".
Más allá de las obvias expansiones a ambientes 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 en este momento tiene resonadores dieléctricos, cambiadores de fase, osciladores, más de 200 elementos en total, basados en materiales similares a los que estudiamos en este documento", dijo Martin. "Aproximadamente 45de esos elementos son necesarios 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 espacio 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 celular. Se necesita energía para sintonizar la señal, y cuanto más se desajustees decir, más energía necesita 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 energía 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 empleada en la fabricación de semiconductores, ayuda a controlar la estructuray 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 deformado y medir directamente la deformación y el gradiente de polarización.
"Hemos establecido una forma de utilizar la difracción de barrido 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 enMolecular Foundry de Berkeley Lab, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. "Este tipo de mapeo, iniciado en Berkeley Lab, es nuevo y muy poderoso".
Otro factor clave fue la velocidad del detector, agregó Minor. Para este artículo, los datos se obtuvieron a una velocidad de 400 cuadros por segundo, un orden de magnitud más rápido que la velocidad de 30 cuadros por segundo de unos pocoshace años. Esta técnica ya está disponible para los usuarios de Foundry.
"Estamos viendo una revolución en 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 en UC Berkeley.ser capaz de ver y medir cosas a una escala que era difícil de imaginar hasta hace poco ".
Los coautores principales del estudio son el investigador postdoctoral Anoop Damodaran y el estudiante graduado Shishir Pandya del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de UC Berkeley. Otros coautores del estudio incluyen investigadores de la Universidad de Pensilvania, Carnegie Institution for Science y RutgersUniversidad.
Este trabajo incluyó el apoyo de la Oficina de Ciencias del DOE, la Oficina de Investigación del Ejército, la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación Gordon y Betty Moore y la Institución Carnegie para la Ciencia.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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