Ferroelektrik malzemeler, kızılötesi kameralarda, tıbbi ultrasonlarda, bilgisayar belleğinde ve elektrik özelliklerini mekanik özelliklere (veya tersini) dönüştüren aktüatörlerde kullanılır. Ancak bu temel malzemelerin çoğu kurşun içerir ve bu nedenle toksik olabilir.
Arkansas Üniversitesi’nde Seçkin Fizik Profesörü Laurent Bellaiche, “Son 10 yıldır, kurşun içermeyen ferroelektrik malzemeleri bulmak için tüm dünyada büyük bir girişim var” dedi.
Ferroelektrik malzemedeki atomlar birden fazla kristal yapıya sahip olabilir. İki kristal yapının buluştuğu yere faz sınırı denir ve ferroelektrik malzemeleri kullanışlı kılan özellikler bu sınırlarda en güçlüdür.
Bilim adamları, kimyasal süreçleri kullanarak, daha yüksek performans ve daha küçük cihazlar oluşturmak için kurşun bazlı ferroelektrik malzemelerin faz sınırlarını değiştirdiler. Ancak kurşunsuz ferroelektrik malzemenin faz sınırlarının kimyasal olarak ayarlanması zorlayıcı olmuştur.
Bellaiche ve diğer U A fizikçileri Kinnary Patel ve Sergey Prosandeev’in de dahil olduğu bir ekibin yeni araştırması, kimyasal bir işlem yerine gerinim veya mekanik kuvvet kullanarak kurşunsuz ferroelektrikleri geliştirmenin bir yolunu buldu. Keşif, kurşunsuz ferroelektrik bileşenler üretebilir ve insanlara implante edilebilecek cihazlar ve sensörler için yeni olanaklar açabilir.
Bellaiche, “Bu önemli bir bulgu” dedi.
Sonuçlar dergide yayınlandı Doğa İletişimi. Kuzey Carolina Eyalet Üniversitesi’nden Ruijuan Xu baş araştırmacıydı.
Ferroelektrik nedir?
İlk olarak 1920’de keşfedilen ferroelektrik malzemeler, bir elektrik alanıyla tersine çevrilebilen doğal bir elektriksel polarizasyona sahiptir. Bu kutuplaşma, elektrik alanı ortadan kaldırıldığında bile tersine kalır.
Malzemeler dielektriktir, yani bir elektrik alanının uygulanmasıyla polarize edilebilirler. Bu onları kapasitörlerde oldukça etkili kılar.
Ferroelektrikler aynı zamanda piezoelektriktir, yani mekanik enerjiye tepki olarak elektriksel özellikler üretebilirler ve bunun tersi de geçerlidir. Bu kalite, sonarlarda, yangın sensörlerinde, cep telefonundaki minik hoparlörlerde veya mürekkep püskürtmeli yazıcıda harfleri tam olarak oluşturan aktüatörlerde kullanılabilir.
Tüm bu özellikler, ferroelektrik malzemelerin faz sınırlarının değiştirilmesiyle geliştirilebilir.
Patel, “Kurşun zirkonat titanat gibi kurşun bazlı bir ferroelektrikte, bileşimler kimyasal olarak tam faza inecek şekilde ayarlanabilir” dedi.
Ancak kurşunsuz ferroelektrikler, kimyasal olarak ayarlandığında gaz haline gelip buharlaşabilen oldukça uçucu alkali metaller içerir.
Yeni bir yaklaşım
Araştırmacılar bunun yerine kurşunsuz ferroelektrik malzeme olan sodyum niyobatın (NaNbO3) ince bir filmini oluşturdular. Malzemenin oda sıcaklığında karmaşık bir kristal temel durum yapısına sahip olduğu bilinmektedir. Aynı zamanda esnektir. Bilim adamları, sodyum niyobatın sıcaklığının değiştirilmesinin birden fazla faza veya farklı atom düzenlemelerine neden olabileceğini uzun zamandır biliyorlardı.
Araştırmacılar, kimyasal bir işlem veya sıcaklığı değiştirmek yerine, sodyum niyobattaki atomların yapısını zorlanma yoluyla değiştirdiler.
Bir substrat üzerinde ince bir sodyum niyobat filmi oluşturdular. Sodyum niyobattaki atomların yapısı, substrattaki atomların yapısına uymaya çalışırken büzülür ve genişler. İşlem, sodyum niyobatın üzerinde baskı yaratır.
Bellaiche, “Sodyum niyobat ile ilgili oldukça dikkat çekici olan şey, uzunluğu biraz değiştirirseniz, fazların çok değişmesidir” dedi.
Araştırmacıları şaşırtacak şekilde bu tür, sodyum niyobatın aynı anda üç farklı faza sahip olmasına neden oldu; bu da daha fazla sınır oluşturarak malzemenin faydalı ferroelektrik özelliklerini optimize etti.
Bellaiche, “Dürüst olmak gerekirse, gerilimi değiştirirsek bir aşamadan diğerine geçmesini bekliyordum. Ama aynı anda üç aşama değil” dedi. “Bu önemli bir keşifti.”
Deneyler oda sıcaklığında gerçekleştirildi. Bir sonraki adım, sodyum niyobatın eksi 270 C ila 1000 C arasındaki aşırı sıcaklıklarda gerilime aynı şekilde tepki verip vermediğini görmek olacak.
“Gerilme kaynaklı kurşunsuz morfotropik faz sınırı” başlıklı makalenin diğer yazarları arasında Kuzey Carolina Eyalet Üniversitesi, Cornell Üniversitesi, Drexel Üniversitesi, Stanford Üniversitesi, Pennsylvania Eyalet Üniversitesi, Argonne Ulusal Laboratuvarı ve Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndan araştırmacılar yer alıyor.
