Un equipo científico del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía y la Universidad de Vanderbilt ha realizado la primera observación experimental de una fase de material que había sido predicha pero nunca vista. La fase recién descubierta se acopla con una fase conocida para permitir un control único sobre el materialpropiedades: un avance que allana el camino para la eventual manipulación de la conducción eléctrica en materiales bidimensionales 2D como el grafeno.
El equipo realizó el descubrimiento utilizando un cristal en capas que contiene cobre que es ferroeléctrico, o tiene un dipolo eléctrico constante que puede invertirse cuando se aplica un campo eléctrico.
"Estos materiales pueden convertirse en bloques de construcción de tecnologías ultrafinas de energía y electrónica", dijo Nina Balke de ORNL, autora correspondiente de un artículo que informa sobre el hallazgo en Materiales de la naturaleza .
La observación muestra propiedades que pueden aprovecharse para proporcionar materiales con nuevas funciones. Estas propiedades dependen de la ubicación de los átomos de cobre en el cristal. Los átomos de cobre pueden sentarse dentro de las capas del cristal o desplazarse hacia los espacios entre capas- llamado "brechas de van der Waals" - donde hacen enlaces iónicos débiles con las capas vecinas y forman la nueva fase.
Los científicos midieron las respuestas electromecánicas a través de cristales ferroeléctricos en capas de tiofosfato de indio y cobre, o CIPS. Este material es piezoeléctrico, lo que significa que sus superficies se cargan cuando se estira o se aprieta. Por el contrario, la aplicación de un campo eléctrico hace que un material piezoeléctrico se expanda o contraiga.Las propiedades piezoeléctricas de CIPS fueron la clave para estudiarlo experimentalmente y teóricamente para revelar los nuevos fenómenos.
La investigación teórica fue realizada por el grupo de Sokrates Pantelides, profesor de la Universidad de Vanderbilt y distinguido científico visitante en ORNL. Utilizando cálculos cuánticos, los miembros del grupo movieron el átomo responsable del desplazamiento polar - cobre - a través de la estructura cristalina ycalculó la energía potencial. "Un resultado típico para un material ferroeléctrico es que tiene dos mínimos de energía, o 'pozos', para este átomo; cada uno representa un vector de polarización, uno apuntando hacia arriba y el otro hacia abajo", dijo Pantelides ".Para este material, la teoría predijo cuatro mínimos de energía, lo cual es extremadamente inusual ".
El equipo de investigación descubrió que los dos mínimos de energía adicionales surgen de una segunda fase estructural con el doble de amplitud de polarización y con una posición estable para el átomo de cobre en la brecha de van der Waals. Además, las constantes piezoeléctricas predichas teóricamente para los dos polaresfases en CIPS coincidieron con las medidas experimentalmente.
"Esta es la primera observación reportada de las propiedades piezoeléctricas y ferroeléctricas de la fase de alta polarización", dijo Balke, el principal experimentalista del equipo. "Se sabía que el cobre puede ir en la brecha, pero las consecuencias para el piezoeléctricoy las propiedades ferroeléctricas no se conocían. Pero al final, eso es lo que forma el pozo cuádruple ".
Sabine Neumayer, miembro del equipo de ORNL, agregó: "El pozo cuádruple abre muchas oportunidades emocionantes, especialmente porque podemos controlar las transiciones entre estos cuatro estados de polarización diferentes utilizando temperatura, presión y campos eléctricos".se consideran conmutadores entre dos estados. En CIPS, se puede acceder a cuatro estados.
"CIPS es uno de los primeros materiales ferroeléctricos que es compatible de forma nativa con casi todos los materiales 2D debido a su estructura de van der Waals. Cada vez que tiene fuerzas de van der Waals, significa que puede juntar materiales 2D y separarlos sin causardaño estructural importante ", dijo Peter Maksymovych, otro autor correspondiente." La estructura de van der Waals es lo que permite la división de cristales a granel para crear nanoestructuras 2D con superficies limpias ".
Los científicos de todo el mundo han estado compitiendo para crear una interfaz activa para materiales 2D como el grafeno, un material de un solo átomo de espesor con una movilidad muy alta de electrones. "Imaginamos que en el futuro, una interfaz activa para CIPS puede controlar el grafeno a través de piezoeléctrico,ferroeléctrico y otras propiedades de respuesta ", dijo Maksymovych." Pondrá la inteligencia en el grafeno ".
Michael McGuire en la División de Ciencia y Tecnología de Materiales de ORNL creció y caracterizó los cristales del estudio con Michael Susner, ahora en el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea. "La competencia y la coexistencia de múltiples fases en los cristales hace que estos materiales sean particularmente emocionantes e interesantes"."La capacidad de estudiar materiales complejos como estos tanto teórica como experimentalmente en una amplia gama de escalas de longitud con técnicas complementarias hace posible este tipo de trabajo en ORNL".
Los investigadores realizaron experimentos en el Centro de Ciencias de Materiales de Nanofase de ORNL, donde la instrumentación y la experiencia sin igual permitieron mediciones precisas y un análisis claro e interpretación de datos complejos. Los experimentos se basaron en microscopía de fuerza piezorespuesta PFM para obtener imágenes y controlar dominios ferroeléctricos en escalas demillonésimas a mil millonésimas de metros. Una sonda conductora afilada aplica un campo eléctrico a la superficie de una muestra, y la deformación inducida electromecánicamente del material se infiere del desplazamiento de la sonda.
"CNMS es la institución líder mundial en microscopía de fuerza de piezorespuesta", dijo Maksymovych. "La gente viene de todo el mundo para medir las propiedades de sus muestras". Una gran atracción es la estrecha consulta con los miembros del grupo PFM que brindan casi medio siglode la experiencia acumulada de innovadores en PFM como Sergei Kalinin y Stephen Jesse, y los mejores nombres en teoría, como Panchapakesan Ganesh y Sokrates Pantelides, todos autores en este documento ". Sin esa experiencia de larga data, la medición en sí misma podría no haber resultadoen la imagen cohesiva que obtuvimos ", dijo Balke.
Maksymovych agregó, "Interpretar datos para pozos dobles es un desafío. Los pozos cuádruples son aún más complejos porque ahora tiene múltiples propiedades de conmutación. La secuencia de expansión y contracción puede parecer extraña y poco clara. Solo debido al esfuerzo de Nina y Sabine fue la rarezanormalizado para que podamos entender exactamente lo que está sucediendo "
En futuros estudios, los investigadores probarán propiedades dinámicas: observar relaciones de polarización alta y baja en materiales filtrados; mover, estabilizar e incrustar átomos de la nueva fase para hacer un cambio; probar experimentalmente el comportamiento predicho de los materiales bajo presión; yestudiando cómo los dominios ferroeléctricos se reorientan después de aplicar un campo eléctrico.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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