Los investigadores de Penn State y la Fundición Molecular en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley están empujando los límites de la microscopía electrónica en la escala de decenas de picómetros, una fracción del tamaño de un átomo de hidrógeno.
La capacidad de ver en este nivel subatómico es crucial para diseñar nuevos materiales con propiedades sin precedentes, como materiales que pasan de metales a semiconductores o que exhiben superconductividad. El trabajo de los investigadores describe la primera evidencia a escala atómica de ferroelectricidad inducida por deformación enun óxido en capas aparece en línea hoy, 31 de agosto, en Comunicaciones de la naturaleza .
"Este documento es importante porque destaca nuestra capacidad para diseñar nuevas clases de materiales que se pueden ajustar, una capa atómica a la vez, para obtener nuevas propiedades interesantes, como los dieléctricos sintonizables de alta frecuencia, que son de interés para el semiconductorindustria ", dijo el primer autor Greg Stone, un ex becario postdoctoral de Penn State ahora en el Centro de Investigación, Desarrollo e Ingeniería del Ejército de EE. UU.
Diseñar nuevos materiales con propiedades potencialmente útiles requiere la estrecha colaboración de teoría, síntesis y caracterización: el primero para construir los modelos matemáticos necesarios, el segundo para crear el material en el laboratorio y el tercero para visualizar y medir las propiedades del materialy proporcionar comentarios para ajustar las teorías y mejorar la síntesis.
Este estudio se basa en el trabajo teórico previo de los coautores Turan Birol y Craig Fennie de la Universidad de Cornell y el trabajo experimental de los coautores Venkatraman Gopalan de Penn State y Darrell Schlom, anteriormente en Penn State y ahora en Cornell, y sus estudiantes. Gopalan y Nasim Alem, profesores de ciencia e ingeniería de materiales en Penn State, dirigieron el estudio actual.
"El material que estamos viendo es una forma de titanato de estroncio llamado óxido en capas", dijo Gopalan. "Este estudio reúne la microscopía electrónica y la teoría funcional de la densidad en una escala de 5 a 10 picómetros para mostrar por qué estos materiales son tanbuenos dieléctricos sintonizables. La clave es la competencia de fases, y por primera vez, mostramos que muchas fases polares con energías similares compiten en este material a escala atómica, tal como lo predijo la teoría, lo que le da una gran capacidad de sintonización bajo un voltaje ".
Los óxidos complejos son materiales que se forman al combinar oxígeno con carga negativa y otros dos iones con carga positiva. En este caso, el equipo examinó el titanato de estroncio con una estructura llamada Ruddlesden-Popper RP, después de los dos científicos que lo descubrieron.parece una pared de ladrillo y mortero, con los ladrillos hechos de titanato de estroncio y el mortero delgado entre los ladrillos hechos de óxido de estroncio. Cuando los ladrillos están en capas de esta manera, surgen nuevas propiedades que no aparecerían en un solo ladrillo.
"En el caso del titanato de RP-estroncio, la propiedad emergente es la ferroelectricidad, lo que significa que tiene una polarización eléctrica incorporada dentro de su estructura", dijo Gopalan. "Pero podría ser magnetismo o transiciones de aislante de metal o superconductividad,dependiendo de los átomos involucrados y el orden de capas de los materiales "
Debido a que cada capa de ladrillo tiene una conexión débil con otras capas, el material puede tener estados competitivos, con una capa polarizada en una dirección opuesta a una capa vecina. Estos estados competitivos dan como resultado un material con una fuerte respuesta a un pequeño exteriorestímulo, como un campo eléctrico o magnético o temperatura. En el caso del titanato de estroncio, hay una gran respuesta dieléctrica, que es la capacidad de almacenar grandes cantidades de energía, como en un condensador.
Los teléfonos celulares tienen muchos componentes dieléctricos que son muy pequeños y tienen que recargarse. A medida que los teléfonos celulares pasan de las redes 4G a 5G, lo que significa que se procesan a 5 mil millones de ciclos por segundo, mejores materiales que respondan a frecuencias más altas son crucialesEl titanato de RP-estroncio es un material que es definitivamente superior a los materiales actuales.
Colin Ophus, del Centro Nacional de Instalaciones de Microscopía Electrónica de la Fundición Molecular, dijo: "Este trabajo es un excelente ejemplo de los avances en materiales posibles cuando cerramos el ciclo de retroalimentación entre los cálculos de los primeros principios y la microscopía electrónica de resolución atómica".
Su colega Jim Ciston en la Fundición Molecular agrega: "La precisión del acuerdo entre la teoría y el experimento es crítica para desentrañar las sutiles diferencias en la estructura entre las fases ferroeléctricas competidoras. Estas imágenes de posiciones atómicas son más que imágenes bonitas de precisión notable,pero contienen una enorme cantidad de información cuantificable sobre las pequeñas distorsiones en posiciones atómicas que pueden conducir a propiedades sorprendentes ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Estado Penn . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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