Los científicos determinaron las propiedades del material en forma de una película delgada que utiliza un voltaje para inducir un cambio de forma y viceversa. Sus avances abarcan la nanoescala y la microescala, abriendo nuevas posibilidades para tecnologías futuras.
En las tecnologías electrónicas, importantes propiedades de los materiales cambian en respuesta a estímulos como el voltaje o la corriente. Los científicos pretenden comprender estos cambios en términos de la estructura de los materiales a escala nanométrica (unos pocos átomos) y microescala (el grosor de una hoja de papel). A menudo se pasa por alto el rango medio, la mesoescala, que se extiende desde 10 milmillonésimas a 1 millonésimas de metro.
Los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), en colaboración con la Universidad Rice y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE, han logrado avances significativos en la comprensión de las propiedades de mesoescala de los materiales ferroeléctricos bajo campos eléctricos. Estos avances permiten avances en la memoria de las computadoras, láseres para instrumentos científicos y sensores para mediciones de alta precisión.
Un material ferroeléctrico es un óxido que contiene una mezcla compleja de plomo, magnesio, niobio y titanio. Los científicos llaman a este material ferroeléctrico relajado. Se caracteriza por pequeños pares de cargas positivas y negativas, o dipolos, agrupados en grupos llamados “nanodominios polares”. Bajo un campo eléctrico, estos dipolos se alinean en la misma dirección, lo que hace que el material se deforme o se deforme. De manera similar, aplicar una tensión puede cambiar la dirección del dipolo, creando un campo eléctrico.
“Si se analiza un material a nanoescala, sólo se aprende acerca de la estructura atómica promedio dentro de una región muy pequeña”, dijo el físico Yu Cao de Argonne. “Pero los materiales no son necesariamente iguales y no todos responden de la misma manera a un campo eléctrico. Aquí es donde la mesoescala puede pintar una imagen completa, uniendo la nanoescala a la microescala”.
El grupo del profesor Len Martin de la Universidad Rice desarrolló un dispositivo completamente funcional basado en ferroeléctricos relajados para probar el material en condiciones operativas. Su componente principal es una película delgada (55 nanómetros) de ferroeléctrico relajado intercalada entre capas a nanoescala que actúan como electrodos para aplicar un voltaje y generar un campo eléctrico.
Utilizando líneas de luz en los sectores 26-ID y 33-ID de la Fuente Avanzada de Fotones (APS) de Argonne, los miembros del equipo de Argonne mapearon las estructuras de mesoescala dentro del resto. La clave del éxito de este experimento fue una capacidad especial llamada nanodifracción coherente de rayos X, puesta a disposición por la nanosonda de rayos X duros (línea de haz 26-ID) operada por el Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne y APS. Ambas son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
Los resultados muestran que, bajo un campo eléctrico, los nanodominios se autoensamblan en estructuras de mesoescala compuestas de dipolos que se alinean en un patrón complejo similar a un mosaico (ver Fig. El equipo identificó puntos de tensión a lo largo de los límites de este patrón y áreas que respondían con más fuerza al campo eléctrico.
“Estas estructuras submicroescala representan una nueva forma de autoensamblaje de nanodominios que no se conocía anteriormente”, señaló John Mitchell, miembro distinguido de Argonne. “Sorprendentemente, podemos rastrear su origen hasta los movimientos atómicos a nanoescala; ¡eso es fantástico!”
“Nuestros conocimientos sobre las estructuras de mesoescala proporcionan un nuevo enfoque para el diseño de pequeños dispositivos electromecánicos que funcionan de formas que antes no se habían imaginado”, dijo Martin.
“Los haces de rayos X más brillantes y coherentes que ahora son posibles con la reciente actualización de APS nos permitirán mejorar aún más nuestro instrumento”, dijo Hao Zheng, autor principal del estudio y científico de líneas de luz en APS. “Entonces podremos evaluar si este dispositivo tiene aplicaciones para la microelectrónica energéticamente eficiente, como la computación neuromórfica modelada en el cerebro humano”. La microelectrónica de bajo consumo es esencial para satisfacer la creciente demanda de electricidad de dispositivos electrónicos en todo el mundo, incluidos teléfonos celulares, computadoras de escritorio y supercomputadoras.
Esta investigación lo ha afirmado. ciencia. Además de Cao, Martin, Mitchell y Zeng, los autores incluyen a Tao Zhu, Dina Shafer, Jeon Kim, Jeob Kim, Travis Fraser, Zhonghu Cai, Martin Holt y Zhan Zhang.
La financiación para la investigación provino de la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del DOE y la Fundación Nacional de Ciencias.
