In elektronischen Technologien ändern sich wichtige Materialeigenschaften als Reaktion auf Reize wie Spannung oder Strom. Wissenschaftler versuchen, diese Änderungen anhand der Struktur des Materials auf der Nanoskala (einige Atome) und der Mikroskala (die Dicke eines Blattes Papier) zu verstehen. Oft vernachlässigt wird der Bereich zwischen der Mesoskala – 10 Milliardstel bis 1 Millionstel Meter.
Wissenschaftler des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) haben in Zusammenarbeit mit der Rice University und dem Lawrence Berkeley National Laboratory des DOE bedeutende Fortschritte beim Verständnis der mesoskaligen Eigenschaften eines ferroelektrischen Materials unter einem elektrischen Feld erzielt. Die Forschung ist veröffentlicht im Journal Wissenschaft.
Dieser Durchbruch birgt Potenzial für Fortschritte bei Computerspeichern, Lasern für wissenschaftliche Instrumente und Sensoren für ultrapräzise Messungen.
Das ferroelektrische Material ist ein Oxid, das eine komplexe Mischung aus Blei, Magnesium, Niob und Titan enthält. Wissenschaftler bezeichnen dieses Material als Relaxor-Ferroelektrikum. Es zeichnet sich durch winzige Paare positiver und negativer Ladungen oder Dipole aus, die sich zu Clustern gruppieren, die als „polare Nanodomänen“ bezeichnet werden.
Unter einem elektrischen Feld richten sich diese Dipole in die gleiche Richtung aus, wodurch das Material seine Form ändert oder sich verformt. In ähnlicher Weise kann das Anlegen einer Spannung die Dipolrichtung ändern und ein elektrisches Feld erzeugen.
„Wenn man ein Material im Nanomaßstab analysiert, erfährt man nur etwas über die durchschnittliche Atomstruktur innerhalb eines ultrakleinen Bereichs“, sagte Yue Cao, ein Physiker aus Argonne. „Aber Materialien sind nicht unbedingt einheitlich und reagieren nicht überall auf die gleiche Weise auf ein elektrisches Feld. Hier kann der Mesoskala ein vollständigeres Bild zeichnen, indem sie die Brücke vom Nano- zum Mikromaßstab schlägt.“
Ein voll funktionsfähiges Gerät auf der Basis eines Relaxor-Ferroelektrikums wurde von der Gruppe von Professor Lane Martin an der Rice University hergestellt, um das Material unter Betriebsbedingungen zu testen. Sein Hauptbestandteil ist ein dünner Film (55 Nanometer) des Relaxor-Ferroelektrikums, der zwischen nanometergroßen Schichten eingeschlossen ist, die als Elektroden dienen, um eine Spannung anzulegen und ein elektrisches Feld zu erzeugen.
Mithilfe von Strahllinien in den Sektoren 26-ID und 33-ID der Advanced Photon Source (APS) von Argonne kartierten die Mitglieder des Argonne-Teams die mesoskaligen Strukturen innerhalb des Relaxors.
Der Schlüssel zum Erfolg dieses Experiments war eine spezielle Fähigkeit namens kohärente Röntgen-Nanobeugung, die über die Hard X-ray Nanoprobe (Beamline 26-ID) verfügbar ist, die vom Center for Nanoscale Materials in Argonne und der APS betrieben wird. Beide sind Benutzereinrichtungen des DOE Office of Science.
Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Nanodomänen unter einem elektrischen Feld zu mesoskaligen Strukturen zusammensetzen, die aus Dipolen bestehen, die sich in einem komplexen kachelartigen Muster anordnen. Das Team identifizierte die Spannungsstellen entlang der Ränder dieses Musters und die Regionen, die stärker auf das elektrische Feld reagieren.
„Diese submikroskaligen Strukturen stellen eine neue Form der Selbstorganisation von Nanodomänen dar, die bisher nicht bekannt war“, bemerkte John Mitchell, ein Argonne Distinguished Fellow. „Erstaunlicherweise konnten wir ihren Ursprung bis zu den zugrunde liegenden atomaren Bewegungen im Nanomaßstab zurückverfolgen …“
„Unsere Erkenntnisse über die mesoskaligen Strukturen bieten einen neuen Ansatz für die Entwicklung kleinerer elektromechanischer Geräte, die auf eine Art und Weise funktionieren, die man für unmöglich gehalten hätte“, sagte Martin.
„Je heller und kohärenter Röntgenstrahlen jetzt möglich mit dem jüngsten APS-Upgrade, wird es uns erlauben, unser Gerät weiter zu verbessern“, sagte Hao Zheng, der Hauptautor der Studie und Strahllinienwissenschaftler bei APS.
„Dann können wir beurteilen, ob das Gerät für Anwendungen im Bereich energieeffizienter Mikroelektronik geeignet ist, wie etwa für neuromorphes Computing nach dem Vorbild des menschlichen Gehirns.“ Mikroelektronik mit geringem Stromverbrauch ist unverzichtbar, um den ständig steigenden Energiebedarf elektronischer Geräte auf der ganzen Welt zu decken, darunter Mobiltelefone, Desktop-Computer und Supercomputer.
Mehr Informationen:
Hao Zheng et al., Heterogene Feldantwort hierarchischer polarer Laminate in Relaxor-Ferroelektrika, Wissenschaft (2024). DOI: 10.1126/science.ado4494