El estrés mejora las propiedades de un material prometedor para tecnologías futuras.
Los investigadores de la UNSW encuentran un nuevo estado exótico de uno de los materiales multiferroicos más prometedores, con interesantes implicaciones para las tecnologías futuras que utilizan estas propiedades mejoradas.
Combinando un cuidadoso equilibrio de deformación, distorsión y espesor de película delgada, el equipo ha estabilizado una nueva fase intermedia en uno de los pocos materiales multiferroicos a temperatura ambiente conocidos.
El estudio teórico y experimental estadounidense-australiano muestra que esta nueva fase tiene una figura de mérito electromecánico superior al doble de su valor habitual, y que incluso podemos transformar esta fase intermedia a otras fases fácilmente utilizando un campo eléctrico.
Además de proporcionar una técnica nueva y valiosa para el conjunto de herramientas de todos los científicos de materiales internacionales que trabajan con multiferroics y epitaxia, los resultados finalmente arrojan luz sobre cómo se pueden usar las técnicas epitaxiales para mejorar la respuesta funcional de los materiales para su futura aplicación en dispositivos de próxima generación..
EL ESTRÉS CAMBIA TODO
Si 2020-21 nos ha enseñado algo, es que el estrés lo cambia todo. Incluso la persona más 'unida' puede luchar y cambiar si tiene suficiente estrés en su vida.
Lo mismo se aplica a los cristales también. Cuando aplicamos tensión a los cristales, estos se tensan y pueden cambiar su estructura y propiedades físicas drásticamente. Utilizamos esto en la tecnología cotidiana, utilizando estímulos externos para doblar las propiedades del material a voluntad.
Cuando imponemos tensión sobre un material, generalmente estamos empujando o separando a lo largo de al menos un eje, creando compresivo y tracción tensión.
Cuando filtramos películas delgadas sobre sustratos, los bloques de construcción de la película se deformarán para coincidir con los tamaños de los bloques de construcción del sustrato vecino.
Si las unidades estructurales del sustrato son más grandes que las de la película delgada el cuadrado azul, la película contorno blanco se estirará horizontalmente es decir, 'deformación por tracción' y se comprimirá verticalmente para ajustarse.
Por otro lado, una celda de estructura de sustrato más pequeña cuadrado verde hará que la estructura de la película se comprima horizontalmente 'deformación por compresión' y se estire verticalmente.
"En nuestra investigación, aplicamos anisotrópico tensión en nuestra película. Esto significa que la tensión aplicada es diferente según la dirección en la que se mire, y esto puede crear estados de tensión complicados que obliguen a las películas a entrar en nuevas fases ", dice el primer autor Oliver Paull UNSW.
ES MAGNETOELÉCTRICO, ES PIEZOELÉCTRICO, ES FOTOVOLTAICO ... ¡ES UN RAYO ENGRASADO!
BiFeO 3 o BFO cuenta con un impresionante resumen de propiedades multifuncionales, que incluyen piezoelectricidad, ferroelectricidad, magnetismo y propiedades ópticas.
BFO es posiblemente el más popular magnetoeléctrico material para investigadores es decir, un material que tiene un orden tanto magnético como eléctrico que puede influirse entre sí.
Los materiales magnetoeléctricos son muy interesantes para la espintrónica y las aplicaciones de memoria, ya que el acoplamiento entre el magnetismo y la ferroelectricidad promete tecnologías de baja energía escribir datos con un campo eléctrico es mucho más eficiente que escribir con un campo magnético.
El BFO no solo es magnetoeléctrico, sino que es uno de los pocos materiales que es magnetoeléctrico en temperatura ambiente , lo que lo hace viable para su uso en aplicaciones como la electrónica de bajo consumo en el futuro, sin el requisito de crioenfriamiento intensivo en energía.
solo muy pocos multiferroico los materiales es decir, los materiales que tienen un orden tanto magnético como eléctrico exhiben estas propiedades útiles a temperatura ambiente.
Además de esto, BFO cuenta con otras propiedades funcionales : piezoelectricidad , ferroelectricidad, efectos fotovoltaicos, ¡y más!
También es libre de plomo, lo que le da una clara ventaja frente a la mayoría de los materiales piezoeléctricos de alto rendimiento, que desafortunadamente contienen plomo tóxico.
Los materiales piezoeléctricos, que pueden convertir la presión mecánica en energía eléctrica, tienen amplias aplicaciones como sensores de ultra alta sensibilidad en dispositivos como sensores de movimiento de teléfonos inteligentes y marcapasos donde obviamente evitar materiales tóxicos es una ventaja ....
Mediante el uso de sustratos muy mal cortados, el equipo de investigación llevó al BFO a una nueva fase que es esencialmente el vínculo entre las conocidas fases de tipo romboédrico y tetragonal.
Esto, junto con las propiedades de la fase relacionadas con la simetría, permite que los campos eléctricos la influyan fácilmente.
"Revisamos la literatura y descubrimos que todos usan orientaciones de sustrato comerciales bastante estándar", dice el investigador principal Daniel Sando. "Les pedimos a nuestros proveedores que hicieran a medida diferentes orientaciones de cortes incorrectos entre las orientaciones estándar, lo que llevó al descubrimiento dela nueva fase. Nos preguntamos si la razón por la que la gente no había hecho esto antes es que la cristalografía relacionada con estos cortes es bastante compleja y puede ser intimidante ".
La colaboración internacional entre investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, la Universidad de Arkansas y la Universidad de Monash, utilizó cálculos teóricos y un conjunto de técnicas experimentales para demostrar que esta nueva fase tiene una respuesta electromecánica mucho más alta que el BFO tradicional.
"Además, mostramos una fuerte evidencia de que esta fase de baja simetría se puede convertir en una fase de mayor simetría utilizando un campo eléctrico y, como resultado, puede mejorar la respuesta electromecánica. aún más por un factor de 3 ", dice Oliver Paull.
UNA HERRAMIENTA MULTIUSOS: APLICACIÓN DEL ENFOQUE A UNA AMPLIA GAMA DE MATERIALES DE ÓXIDO
Uno de los aspectos más atractivos de este descubrimiento es su metodología general y su aplicabilidad a una amplia clase de sistemas de materiales.
"Elegimos centrarnos en BiFeO 3 debido a sus propiedades ferroeléctricas, magnéticas y piezoeléctricas, pero el enfoque se aplica fácilmente a otros óxidos de perovskita ", dice Oliver Paull.
"Actualmente estamos explorando el efecto de estos sustratos de alto índice en sistemas puramente ferroeléctricos o magnéticos, pero el alcance para usar esta técnica es enorme. Esperamos encontrar fases de baja simetría de materiales ópticamente interesantes, así como arreglos de dominio novedososen ferroeléctricos, por nombrar algunos ", señaló Laurent Bellaiche, el líder teórico del proyecto".
"Si está lidiando con la epitaxia, entonces esta técnica anisotrópica podría resultar muy fructífera para su investigación", dice Daniel Sando.
"Este estudio es solo el comienzo. Planeamos combinar este enfoque de epitaxia anisotrópica para superredes de óxido capas repetidas de diferentes composiciones, es decir, ABAB, etc., así como combinar las estructuras cristalinas de baja simetría con otras rutas establecidas para mejorar la respuesta piezoeléctrica, incluida la sustitución con elementos de tierras raras, por ejemplo. Finalmente, dado que BFO es multiferroico, tenemos una serie de estudios magnéticos planificados para esta nueva fase de baja simetría ", dice la líder del laboratorio de la UNSW, Nagy Valanoor.
Hay aplicaciones posibles aún más amplias: los piezoeléctricos utilizados en sensores y actuadores suelen ser compuestos a base de plomo a granel. Si bien el nuevo enfoque es de nicho y está muy orientado a la investigación, podría haber margen para que los nuevos métodos funcionen en tales industrias.como nanoactuadores o sensores El aspecto clave es el uso del enfoque de epitaxia anisotrópica para 1 generar una fase de baja simetría y 2 facilitar mejoras en la respuesta;en este caso, el coeficiente piezoeléctrico.
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