Wykrywanie nieutrwalonych materiałów elektromechanicznych Wiadomości o Mirażu

HOUSTON – (23 maja 2024) – Zapalenie grilla gazowego, wykonanie badania USG, użycie ultradźwiękowej szczoteczki do zębów – zabiegi te polegają na użyciu materiałów, które potrafią przełożyć napięcie elektryczne na zmianę kształtu i odwrotnie.

znany jako piezoelektrycznośćmożliwość handlu pomiędzy naprężeniem mechanicznym a ładunkiem elektrycznym można wykorzystać na dużą skalę Kondensatory, Motoryzacja, Transformatory mocy Czujniki takie jak Akcelerometry I Gyros Dla następnej generacji elektroniki. Jednakże zintegrowanie tych materiałów w miniaturowe systemy było trudne ze względu na tendencję elektromechanicznie aktywnych materiałów do „przypinania się” przez materiał, do którego są przymocowane, w skali submikrometrowej, gdy grubość wynosi zaledwie kilka milionowych cala. co znacznie zmniejsza ich wydajność.

Naukowcy z Rice University i współpracownicy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley odkryli, że klasa materiałów aktywnych elektromechanicznie, zwana Ferroelektrolity Może okazać się kluczem do przezwyciężenia ograniczeń wydajności wynikających z instalacji w układach mikroelektromechanicznych. A Nowe badanie Opublikowano w Nature Materials modelowy układ antyferroelektryczny, cyrkonian ołowiu (PbZrO₃), wytwarza reakcję elektromechaniczną, która może być nawet pięciokrotnie większa niż w przypadku konwencjonalnych materiałów piezoelektrycznych, nawet w przypadku folii o grubości zaledwie 100 nanometrów (lub 4 milionowych cala).

„Od dziesięcioleci używamy materiałów piezoelektrycznych” – powiedział naukowiec zajmujący się materiałami Rice. Lynn Martin, który jest autorem korespondencyjnym badania. „Ostatnio pojawił się silny nacisk, aby dalej wykorzystywać te materiały w nowych typach bardzo małych urządzeń – jak można to zrobić na przykład w przypadku mikrochipu umieszczanego w telefonie lub komputerze. Problem polega na tym, że zwykle te materiały „Jest mniej użyteczny w tak małych skalach”.

Zgodnie z obowiązującymi normami branżowymi, materiał uważa się za posiadający bardzo dobre właściwości elektromechaniczne, jeśli może ulec zmianie kształtu lub odkształceniu o 1% w odpowiedzi na pole elektryczne. Na przykład w przypadku obiektu o długości 100 cali wydłużenie lub skrócenie o jeden cal oznacza 1% naprężenia.

Martina, profesora Roberta A. Welch, profesor nauk o materiałach i nanoinżynierii oraz dyrektor Instytutu Roberta A. Instytut Zaawansowanych Materiałów Ryżowych.

Kiedy konwencjonalne materiały piezoelektryczne są zmniejszane do rozmiarów układów mniejszych niż mikrometr (1000 nm), ich działanie na ogół znacznie się pogarsza z powodu interferencji podłoża, co pogarsza ich zdolność do zmiany kształtu w odpowiedzi na pole elektryczne lub, odwrotnie, do generowania napięcie w odpowiedzi na zmianę kształtu.

Według Martina, jeśli wydajność elektromechaniczną ocenia się w skali od 1 do 10, gdzie 1 to najniższa wydajność, a 10 to standard branżowy dla 1% odkształcenia, to zazwyczaj można oczekiwać, że stabilizacja zmniejszy konwencjonalną odpowiedź elektromechaniczną piezoelektryczną z 10 do zakresu 1-4.

„Aby zrozumieć, jak stabilizacja wpływa na ruch, najpierw wyobraź sobie, że siedzisz na środkowym siedzeniu w samolocie, nie mając nikogo po obu stronach – będziesz mieć swobodę dostosowania swojej pozycji, jeśli poczujesz się niekomfortowo, przegrzejesz się itp.” powiedział Martin. „Teraz wyobraź sobie ten sam scenariusz, z tą różnicą, że siedzisz teraz pomiędzy dwoma ogromnymi ofensywnymi liniowymi drużyny piłkarskiej Rice. Będziesz między nimi tak„ ciasny ”, że nie będziesz w stanie dostosować swojej pozycji w odpowiedzi na bodziec”.

Naukowcy chcieli zrozumieć, w jaki sposób ultracienkie warstwy materiałów ferroelektrycznych – klasa materiałów, które do niedawna pozostawały niezbadane ze względu na niedostępność „typowych” wersji materiałów oraz ich skomplikowaną strukturę i właściwości – zmieniają swój kształt w odpowiedzi na napięcie elektryczne . I czy są również podatne na instalację.

Najpierw wytworzono cienkie warstwy modelowego materiału antyferroelektrycznego PbZrO ₃ Z precyzyjną kontrolą grubości, jakości i kierunku materiału. Następnie przeprowadzili kombinację pomiarów elektrycznych i elektromechanicznych, aby zmierzyć reakcje cienkich warstw na przyłożone napięcie.

„Odkryliśmy, że reakcja była znacznie większa w przypadku cienkich warstw materiałów antyferroelektrycznych niż ta, którą uzyskano w przypadku materiałów konwencjonalnych o podobnej geometrii” – powiedział Hao Pan, badacz ze stopniem doktora w grupie badawczej Martina i główny autor badania.

Pomiar zmiany kształtu w tak małej skali nie był łatwy. W rzeczywistości optymalizacja konfiguracji pomiaru wymaga dużo pracy, co skłoniło badaczy do udokumentowania procesu w pliku Oddzielny post.

„Przy idealnej konfiguracji pomiarowej możemy uzyskać dokładność 2 pikometrów, czyli około jednej tysięcznej nanometra” – powiedział Pan. „Jednak samo pokazanie zmiany kształtu nie oznacza, że ​​rozumiemy, co się dzieje, więc musieliśmy to wyjaśnić. Było to jedno z pierwszych badań, które ujawniło mechanizmy stojące za tą wyższą wydajnością”.

Przy wsparciu współpracowników z MIT naukowcy wykorzystali wyrafinowany mikroskop elektronowy do obserwacji zmiany kształtu nanomateriału z rozdzielczością atomową w czasie rzeczywistym.

„Innymi słowy, obserwowaliśmy zachodzące elektromechaniczne uruchamianie, więc mogliśmy zobaczyć mechanizm dużych zmian kształtu” – powiedział Martin. „Odkryliśmy, że następuje indukowana napięciem zmiana w strukturze krystalicznej materiału, który przypomina podstawowy element konstrukcyjny lub jeden rodzaj klocka Lego, z którego zbudowany jest materiał. W tym przypadku ten klocek Lego staje się odwracalny z przyłożonym napięciem, które „daje nam świetną reakcję elektromechaniczną”.

Co zaskakujące, naukowcy odkryli, że utrwalanie nie tylko zakłócało działanie materiałów, ale wręcz je poprawiało. Wraz ze współpracownikami z Lawrence Berkeley National Laboratory i Dartmouth College odtworzyli obliczeniowo materiał, aby uzyskać inny pogląd na wpływ stabilizacji na działanie przy przyłożonym napięciu.

„Nasze wyniki stanowią zwieńczenie lat pracy nad powiązanymi materiałami, w tym opracowania nowych technik ich badania” – powiedział Martin. „Mamy nadzieję, że zastanawiając się, jak poprawić działanie tych cienkich materiałów, uda nam się opracować mniejsze, ale wydajniejsze urządzenia elektromechaniczne lub Systemy mikroelektromechaniczne (MEMS) ⎯ i nawet Systemy nanoelektromechaniczne (NEMS) „…które zużywają mniej energii i mogą robić rzeczy, o których nigdy wcześniej nie myśleliśmy, że są możliwe.”

Badania były wspierane przez Departament Energii USA (DE-AC02-05-CH11231, DE-SC-0012375), Armię/ARL (W911NF-19-2-0119) i Biuro Badań Armii (W911NF-21-1). . -0118, W911NF-21-1-0126), SRC-JUMP ASCENT, Departament Obrony (FA9550-18-1-0480), Narodowa Fundacja Nauki (1752814) i Narodowe Naukowe Centrum Obliczeniowe Badań nad Energią. Za treść tej informacji prasowej odpowiadają wyłącznie autorzy i niekoniecznie odzwierciedla ona oficjalne poglądy organizacji finansujących.