O alternativă fără plumb descoperită pentru un component esențial în electronică
Un material ferroelectric fără plumb, numit niobat de sodiu (NaNbO3), a demonstrat că poate obține proprietăți îmbunătățite prin inginerie de tensiune, mai degrabă decât prin modificări chimice. Aplicarea tensiunii asupra filmelor subțiri de NaNbO3 induce multiple faze coexistente, optimizând performanța ferroelectrică și oferind o alternativă non-toxică pentru componentele electronice.
Doi cercetători renumiți de la Universitatea din Arkansas, Profesorul Distins Laurent Bellaiche și consultantul în cercetare Kinnary Patel, au contribuit la această descoperire extraordinară. Substanțele ferroelectrice sunt utilizate în camere infraroșii, ultrasunete medicale, memorie computerizată și actuatoare care transformă proprietățile electrice în proprietăți mecanice și invers. Totuși, cele mai multe dintre aceste materiale esențiale conțin plumb, ceea ce le face potencial toxice.
„În ultimul deceniu, a existat o inițiativă importantă la nivel global pentru a găsi materiale ferroelectrice fără plumb,” a menționat Bellaiche. „Fazele materiale ferroelectrice au structuri cristaline variabile, iar proprietățile lor utile sunt cele mai puternice la limitele acestor faze.”
Prin procese chimice, oamenii de știință au reușit să manipuleze aceste limite ale materialelor ferroelectrice pe bază de plumb pentru a crea dispozitive mai performante și mai mici. Însă, ajustarea chimică a limitelor fazelor materialelor ferroelectrice fără plumb s-a dovedit a fi o provocare.
Un nou studiu realizat de echipa din care fac parte Bellaiche, Patel și Sergey Prosandeev de la Universitatea din Arkansas a găsit o modalitate de a îmbunătăți ferroelectrica fără plumb folosind tensiunea, adică forța mecanică, în locul unei metode chimice. Această descoperire ar putea produce componente ferroelectrice fără plumb, deschizând noi posibilități pentru dispozitive și senzori care ar putea fi implantați în corpul uman.
„Aceasta este o descoperire majoră,” a afirmat Bellaiche. Rezultatele au fost publicate în revista Nature Communications, sub coordonarea lui Ruijuan Xu de la Universitatea de Stat din Carolina de Nord.
Materialele ferroelectrice, descoperite prima dată în 1920, prezintă o polarizare electrică naturală care poate fi inversată printr-un câmp electric. Această polarizare rămâne inversată chiar și după îndepărtarea câmpului electric. Proprietățile dielectrice le permit acestor materiale să fie polarizate prin aplicarea unui câmp electric, ceea ce le face extrem de eficiente în capacitoarea.
De asemenea, materialele ferroelectrice sunt piezoelectrice, adică pot genera proprietăți electrice ca răspuns la energie mecanică, și invers. Această calitate este utilizată în sonare, senzori de incendiu, mici difuzoare în telefoanele mobile sau actuatoare care formează cu precizie litere într-o imprimantă cu jet de cerneală. Toate aceste proprietăți pot fi amplificate prin manipularea limitei fazei materialelor ferroelectrice.
Până în prezent, materialele ferroelectrice bazate pe plumb, cum ar fi zirconatul de plumb-titanat, au putut fi ajustate chimic pentru a se situa chiar pe limita fazei. În schimb, ferroelectricele fără plumb conțin metale alcaline extrem de volatile, care pot evaporare când sunt ajustate chimic.
Cercetătorii au creat un film subțire din materialul ferroelectric fără plumb niobat de sodiu (NaNbO3), cunoscut pentru structura complexă a stării cristaline de bază la temperatura camerei. Acest material este, de asemenea, flexibil. Oamenii de știință au descoperit de mult că schimbarea temperaturii niobatului de sodiu poate produce multiple faze, sau aranjamente diferite ale atomilor.
În loc de a utiliza un proces chimic sau de a manipula temperatura, cercetătorii au modificat structura atomilor din niobatul de sodiu prin aplicarea de tensiune. Au crescut un film subțire de niobat de sodiu pe un substrat, iar structura atomică a niobatului de sodiu s-a contractat și extins încercând să se potrivească cu structura atomică a substratului, creând astfel tensiune în material.
„Ceea ce este cu adevărat remarcabil la niobatul de sodiu este că, dacă schimbi puțin lungimea, fazele se schimbă mult,” a adăugat Bellaiche.
Pentru surprinderea cercetătorilor, tensiunea a determinat niobatul de sodiu să prezinte trei faze diferite simultan, optimizând proprietățile ferroelectrice utile ale materialului prin crearea mai multor limite. Bellaiche a spus: „Ce mă așteptam, pentru a fi sincer, era ca prin schimbarea tensiunii, acesta să treacă de la o fază la alta. Dar nu la trei în același timp.” Aceasta a fost o descoperire importantă.
Experimentele au fost realizate la temperatura camerei, iar următorul pas va fi să se verifice dacă niobatul de sodiu răspunde la tensiune în aceeași manieră și la temperaturi extreme, variind de la minus 270 grade Celsius la 1,000 grade Celsius.
Printre autorii acestui articol se numără cercetători de la Universitatea de Stat din Carolina de Nord, Universitatea Cornell, Universitatea Drexel, Universitatea Stanford, Universitatea de Stat din Pennsylvania, Laboratorul Național Argonne și Laboratorul Național Oak Ridge.
Mai multe informații pot fi găsite în revista Nature Communications, subiectul fiind „Strain-induced lead-free morphotropic phase boundary” (Limita de fază morfotropică fără plumb indusă de tensiune).
