Недавнее исследование под руководством Лейна Мартина, специалиста в области материаловедения из Университета Райса, раскрывает влияние значительной миниатюризации тонких плёнок на свойства релаксорных сегнетоэлектриков. Эти материалы, обладая уникальными способностями по преобразованию энергии, находят применение в датчиках, актуаторах и наноэлектронике. Исследование показало, что при уменьшении размеров плёнок до уровня, сравнимого с внутренними поляризационными структурами, их основные характеристики могут изменяться необычным образом.
Одним из ключевых объектов исследования стал свинцово-магниево-ниобатный титанат (PMN-PT), керамический материал, активно используемый в сфере медицинской визуализации, сборе энергии, газовых датчиках и других областях.
Для изучения поведения внутренней поляризационной структуры PMN-PT на микроуровне учёные пришли к неожиданному выводу: прежде чем материал теряет свои уникальные качества, он улучшает свои свойства. Такая неожиданная «золотая середина» может открыть новые горизонты для создания наноэлектронных устройств.
Как релаксорный сегнетоэлектрик, PMN-PT эффективно преобразует энергию из одной формы в другую. Например, давление на его тонкую плёнку вызывает генерацию напряжения, а воздействие внешнего напряжения меняет её форму. На атомарном уровне структура материала представлена отрицательными и положительными атомами, которые могут смещаться, создавая локальные диполи. Эти диполи хаотично распределены по материалу и подвержены влиянию конкурирующих энергий: одна стремится их выровнять, другая — случайно рассеять.
Таким образом, материал разделён на полярные нанодомены — небольшие кластеры, в каждом из которых диполи ориентированы в одном направлении.
Эти самоорганизующиеся поляризационные структуры очень чувствительны к внешним воздействиям из-за химической сложности материала и размеров нанодоменов, которые могут быть всего 5-10 нанометров в диаметре, — пояснила Джиюн Ким, доцент Корейского института передовых наук и технологий и ведущий автор исследования.
Понимание поведения материалов на микромасштабах является необходимым для развития миниатюрной электроники. С того момента, когда устройства становятся всё меньше, требуется использование ультратонких плёнок, таких как PMN-PT, но детальные исследования их физики ранее не проводились, отметила Ким.
«Мы предполагали, что уменьшение толщины плёнок PMN-PT приведёт к снижению и окончательному исчезновению полярных нанодоменов вместе с желанными характеристиками материала. Исследование подтвердило это, но также выявило неожиданные результаты», — добавил Лейн Мартин, профессор и директор Института передовых материалов Райса.
Вместо немедленной деградации, производительность PMN-PT существенно улучшилась при достижении определенного диапазона толщины, от 25 до 30 нанометров, что почти в 10 000 раз тоньше человеческого волоса. На этом уровне увеличивалась фазовая стабильность материала, что позволяет сохранять структуру и свойства в различных условиях.
Для раскрытия этих изменений учёные применяли самые передовые научные методики. В Аргоннской национальной лаборатории они использовали улучшенный фотонный источник для исследования атомной структуры материала с помощью синхротронной рентгеновской дифракции, что позволило наблюдать эволюцию нанодоменов по мере истончения материала.
«Мы сопоставили эти данные с диэлектрическими свойствами, исследованными в нашей лаборатории, и дополнили их, используя сканирующую просвечивающую электронную микроскопию для анализа поляризации с атомистическим уровнем разрешения. Кроме того, для самых тонких плёнок мы провели молекулярно-динамическое моделирование, воссоздавая их в компьютере, чтобы понять структурные изменения нанодоменов», — отметила Ким, начавшая проект под руководством Мартина в Калифорнийском университете в Беркли.
Эти исследования предоставили наиболее детальное представление о поведении PMN-PT в наномасштабе на сегодняшний день. В то время как многие материалы теряют полезные свойства при значительном уменьшении, PMN-PT демонстрирует «эффект Златовласки», при котором его характеристики улучшаются перед тем, как в конечном итоге ухудшиться. Это явление открывает возможности для применения в наноэлектромеханических системах, пироэлектрическом преобразовании энергии и других инновационных технологиях.
Будущие исследования учёных будут направлены на изучение укладки ультратонких слоёв PMN-PT и схожих материалов для создания многослойных конструкций с новыми, не встречающимися в природе свойствами. Эти инженерные материалы смогут революционно изменить сбор и использование энергии, а также разработку датчиков нового поколения.
Источник: iXBT
_large.jpg "Разработчики подтвердили: ChatGPT может вызывать привыкание")
