Studie identifiziert leistungsstarke Alternative zu herkömmlichen Ferroelektrika

Einen Gasgrill anzünden, einen Ultraschall machen lassen, eine Ultraschallzahnbürste verwenden – bei diesen Aktionen kommen Materialien zum Einsatz, die eine elektrische Spannung in eine Formänderung umwandeln können und umgekehrt.

Die als Piezoelektrizität bekannte Fähigkeit zum Austausch zwischen mechanischer Beanspruchung und elektrischer Ladung kann in großem Umfang in Kondensatoren, Aktoren, Wandlern und Sensoren wie Beschleunigungsmessern und Gyroskopen für die Elektronik der nächsten Generation genutzt werden. Die Integration dieser Materialien in miniaturisierte Systeme war jedoch schwierig, da elektromechanisch aktive Materialien dazu neigen, im Submikrometermaßstab, wenn die Dicke nur wenige Millionstel Zoll beträgt, durch das Material, an dem sie befestigt sind, „festgeklemmt“ zu werden , was ihre Leistung erheblich beeinträchtigt.

Forscher der Rice University und Mitarbeiter der University of California in Berkeley haben entdeckt, dass eine Klasse elektromechanisch aktiver Materialien namens Antiferroelektrika der Schlüssel zur Überwindung von Leistungseinschränkungen aufgrund von Klemmen in miniaturisierten elektromechanischen Systemen sein könnte.

Eine neue Studie veröffentlicht In Naturmaterialien berichtet, dass ein antiferroelektrisches Modellsystem, Bleizirkonat (PbZrO3), eine elektromechanische Reaktion erzeugt, die bis zu fünfmal größer sein kann als die herkömmlicher piezoelektrischer Materialien, selbst in Filmen, die nur 100 Nanometer (oder 4 Millionstel Zoll) dick sind.

„Wir verwenden piezoelektrische Materialien schon seit Jahrzehnten“, sagt Lane Martin, Materialwissenschaftler an der Rice University und korrespondierender Autor der Studie. „In letzter Zeit gibt es eine starke Motivation, diese Materialien weiter in neue Arten von Geräten zu integrieren, die sehr klein sind – wie man es beispielsweise für einen Mikrochip tun möchte, der in Ihr Telefon oder Ihren Computer eingebaut wird. Das Problem ist, dass diese Materialien in diesen kleinen Maßstäben normalerweise einfach weniger brauchbar sind.“

Gemäß den aktuellen Industrienormen wird ein Material als sehr elektromechanisch leistungsfähig angesehen, wenn es als Reaktion auf ein elektrisches Feld eine Formänderung – oder Dehnung – von 1 % erfährt. Bei einem Objekt mit einer Länge von 100 Zoll bedeutet beispielsweise eine Verlängerung oder Verkürzung um 1 Zoll eine Dehnung von 1 %.

„Aus materialwissenschaftlicher Sicht ist dies eine bedeutende Reaktion, da sich die meisten harten Materialien nur um einen Bruchteil eines Prozents verändern können“, sagte Martin, Robert A. Welch-Professor, Professor für Materialwissenschaften und Nanotechnik und Direktor des Rice Advanced Materialinstitut.

Wenn herkömmliche piezoelektrische Materialien auf Systeme mit einer Größe von weniger als einem Mikrometer (1.000 Nanometer) verkleinert werden, verschlechtert sich ihre Leistung aufgrund der Interferenz des Substrats im Allgemeinen erheblich, was ihre Fähigkeit, ihre Form als Reaktion auf ein elektrisches Feld oder umgekehrt zu ändern, dämpft erzeugen als Reaktion auf eine Formänderung Spannung.

Laut Martin würde man, wenn man die elektromechanische Leistung auf einer Skala von 1 bis 10 bewerten würde – wobei 1 die niedrigste Leistung und 10 der Industriestandard von 1 % Dehnung ist –, erwarten, dass die Klemmung die elektromechanische Reaktion herkömmlicher Piezoelektrika von 10 auf den Bereich von 1 bis 4 senkt.

„Um zu verstehen, wie sich das Einklemmen auf die Bewegung auswirkt, stellen Sie sich zunächst vor, Sie säßen in einem Flugzeug auf einem Mittelsitz, auf beiden Seiten von Ihnen säße niemand – Sie könnten Ihre Position frei anpassen, wenn Sie sich unwohl fühlen, überhitzen usw.“, sagte Martin. „Stellen Sie sich jetzt dasselbe Szenario vor, nur dass Sie jetzt zwischen zwei riesigen Offensive Linemen von Rices Football-Team sitzen. Sie wären zwischen ihnen so ‚eingeklemmt‘, dass Sie Ihre Position als Reaktion auf einen Reiz nicht wirklich sinnvoll anpassen könnten.“

Die Forscher wollten verstehen, wie sehr dünne Filme aus Antiferroelektrika – einer Materialklasse, die bis vor kurzem aufgrund des fehlenden Zugangs zu „Modellversionen“ der Materialien und zu ihrer komplexen Struktur und ihren Eigenschaften wenig erforscht war – ihre Form als Reaktion auf Spannung ändern und ob sie ebenso empfindlich auf Klemmwirkung reagieren.

Zunächst ließen sie dünne Filme des Modellmaterials PbZrO3 aus dem antiferroelektrischen Material züchten, wobei sie Materialdicke, -qualität und -ausrichtung sehr sorgfältig kontrollierten. Anschließend führten sie eine Reihe elektrischer und elektromechanischer Messungen durch, um die Reaktionen der dünnen Filme auf angelegte elektrische Spannung zu quantifizieren.

„Wir haben festgestellt, dass die Reaktion in den dünnen Filmen aus antiferroelektrischem Material erheblich größer war als bei ähnlichen Geometrien herkömmlicher Materialien“, sagte Hao Pan, Postdoktorand in Martins Forschungsgruppe und Hauptautor der Studie.

Die Messung von Formveränderungen in so kleinen Maßstäben war keine leichte Aufgabe. Tatsächlich erforderte die Optimierung des Messaufbaus so viel Arbeit, dass die Forscher den Prozess in einem separate Veröffentlichung.

„Mit dem perfektionierten Messaufbau können wir eine Auflösung von zwei Pikometern erreichen – das ist etwa ein Tausendstel eines Nanometers“, sagte Pan. „Aber nur zu zeigen, dass eine Formänderung stattgefunden hat, bedeutet nicht, dass wir verstehen, was vor sich geht, also mussten wir es erklären. Dies war eine der ersten Studien, die die Mechanismen hinter dieser hohen Leistung enthüllte.“

Mit Unterstützung ihrer Mitarbeiter am Massachusetts Institute of Technology nutzten die Forscher ein hochmodernes Transmissionselektronenmikroskop, um die Formänderung des nanoskaligen Materials mit atomarer Auflösung in Echtzeit zu beobachten.

„Mit anderen Worten, wir haben die elektromechanische Betätigung beobachtet, während sie stattfand, sodass wir den Mechanismus für die großen Formänderungen sehen konnten“, sagte Martin. „Wir haben festgestellt, dass es eine durch elektrische Spannung verursachte Änderung in der Kristallstruktur des Materials gibt, die wie die grundlegende Baueinheit oder der einzelne Legosteintyp ist, aus dem das Material besteht. In diesem Fall wird dieser Legostein durch angelegte elektrische Spannung reversibel gedehnt, was uns eine große elektromechanische Reaktion beschert.“

Überraschenderweise stellten die Forscher fest, dass die Klemmung die Leistung des Materials nicht nur nicht beeinträchtigt, sondern sogar verbessert. Gemeinsam mit Mitarbeitern des Lawrence Berkeley National Laboratory und des Dartmouth College haben sie das Material rechnerisch nachgebildet, um einen weiteren Blick darauf zu erhalten, wie sich die Klemmung auf die Betätigung unter angelegter elektrischer Spannung auswirkt.

„Unsere Ergebnisse sind die Krönung jahrelanger Arbeit an verwandten Materialien, einschließlich der Entwicklung neuer Techniken zu ihrer Untersuchung“, sagte Martin. „Indem wir herausfinden, wie wir diese dünnen Materialien besser funktionieren lassen, hoffen wir, die Entwicklung kleinerer und leistungsfähigerer elektromechanischer Geräte oder mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) – und sogar nanoelektromechanischer Systeme (NEMS) – zu ermöglichen, die weniger Energie verbrauchen und Dinge tun können, die wir vorher nie für möglich gehalten hätten.“