La microestructura única de la electricidad ferrosa ha sido revelada por primera vez

Un equipo de investigadores ha observado e informado por primera vez la microestructura única de un nuevo material ferroeléctrico, lo que permite el desarrollo de materiales piezoeléctricos sin plomo para electrónica, sensores y almacenamiento de energía que son más seguros para el uso humano. Este trabajo fue dirigido por un grupo de científicos de Penn State y en colaboración con equipos de investigación de la Universidad de Rutgers y la Universidad de California, Merced.

Los ferroeléctricos son una clase de materiales que exhiben espontáneamente polarización eléctrica cuando se les aplica una carga eléctrica externa. Esto conduce a una polarización eléctrica espontánea cuando las cargas positivas y negativas de los materiales apuntan a electrodos diferentes. Estos materiales también tienen propiedades piezoeléctricas, lo que significa que el material genera una carga eléctrica bajo una fuerza mecánica aplicada.

Esto permite que estos materiales produzcan electricidad a partir de energía como el calor, el movimiento o incluso el ruido que, de otro modo, se desperdiciaría. Por lo tanto, tienen potencial para alternativas energéticas basadas en el carbono, como la recolección de energía a partir del calor residual. Además, los materiales ferroeléctricos son particularmente útiles para el almacenamiento y la memoria de datos porque pueden permanecer en un solo estado polarizado sin energía adicional, lo que los hace atractivos para el ahorro de energía. almacenamiento de datos y electronica También se utilizan ampliamente en aplicaciones útiles como interruptores y dispositivos médicos importantes como monitores de frecuencia cardíaca y ultrasonido, almacen de energia y motores

Sin embargo, los materiales piezoeléctricos más fuertes contienen plomo, lo cual es un problema importante ya que el plomo es tóxico para humanos y animales.

“Nos gustaría diseñar un material piezoeléctrico que no tenga los defectos de los materiales existentes”, dijo Nassim Alem, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en Penn State y autor correspondiente del estudio. «Actualmente, el plomo en todos estos materiales es un gran inconveniente porque el plomo es peligroso. Esperamos que nuestro estudio conduzca a un candidato adecuado para un mejor sistema piezoeléctrico».

Para desarrollar una vía para tales materiales sin plomo con fuertes propiedades piezoeléctricas, el equipo de investigación trabajó con Calcium Manganate, California.₃Minnesota₂a₇ (OCM). CMO es un nuevo material híbrido no apto para la electricidad de hierro fotovoltaico con algunas propiedades interesantes.

dijo Lixin Miao, candidata a doctorado en ciencia de materiales y primera autora del estudio en Comunicaciones de la naturaleza. «En el material, hay ocho caras de átomos de oxígeno que pueden inclinarse y rotar. El término ‘híbrido electroeléctrico impropio’ significa que combinamos la rotación y el octaedro inclinado para producir energía eléctrica. Se considera ‘híbrido’ porque es la combinación de dos movimientos octaédricos que generan esta polarización. de ferroelectricidad. Se considera ferroelectricidad ‘impropia’ porque la polarización se produce como un efecto secundario».

También hay una propiedad única de la microestructura de CMO que es un misterio para los investigadores.

«en Temperatura ambienteMiao dijo: «Hay algunas fases polares y no polares que coexisten a temperatura ambiente en el cristal». Se cree que estas fases simbióticas están relacionadas con el comportamiento de expansión térmica negativa. Se sabe que una sustancia generalmente se expande cuando se calienta, pero esta sustancia se contrae. Esto es interesante, pero sabemos muy poco sobre la estructura, como la coexistencia de las fases polar y no polar».

Para comprender mejor esto, los investigadores utilizaron microscopía electrónica de transmisión a escala atómica.

«La razón por la que usamos el microscopio electrónico es que con el microscopio electrónico, podemos usar sensores atómicos para ver la disposición atómica exacta en la estructura», dijo Miao. «Y fue muy sorprendente observar nanorregiones polares bicapa en cristales CMO. Hasta donde sabemos, esta es la primera vez que una microestructura de este tipo ha sido fotografiada directamente en materiales de perovskita en capas».

Antes, nunca se había observado lo que le sucede a un material que experimenta una transición de fase eléctrica de este tipo, según los investigadores. pero con Microscopio electrónicopueden observar el material y lo que estaba sucediendo durante la transición.

“Hemos estado observando el material, lo que sucede durante la transición de fase, y hemos podido sondear átomo por semilla qué tipo de enlace tenemos, qué tipo de distorsiones estructurales hay en el material y cómo eso podría cambiar en función de eso «, dijo el científico. «Y eso explica en gran medida algunas de las observaciones que obtuvo la gente con este artículo. Por ejemplo, cuando obtienen el coeficiente de expansión térmica, nadie sabía realmente de dónde procedía. Básicamente, esto iba cuesta abajo nivel atómico Comprender la física y la química básicas a nivel atómico, así como la dinámica de transición de fase y cómo cambia. «

Esto, a su vez, permitirá el desarrollo de materiales piezoeléctricos fuertes y sin plomo.

«Los científicos están tratando de encontrar nuevas formas de descubrir materiales ferroeléctricos sin plomo para muchas aplicaciones útiles», dijo Miao. “La presencia de nanorregiones polares es beneficiosa para Propiedades piezoeléctricasy, ahora hemos demostrado que mediante la ingeniería de los defectos, podemos diseñar nuevos cristales piezoeléctricos potentes que eventualmente reemplazarán todos los materiales que contienen plomo para aplicaciones ultrasónicas o de actuadores. «

El trabajo de caracterización que reveló estos procesos inéditos en la materia se realizó en las instalaciones del Instituto de Investigación de Materiales del Parque Científico del Milenio. Esto incluyó experimentos con múltiples microscopios electrónicos de transmisión (TEM) que hicieron posible ver lo sin precedentes.

Otro beneficio del estudio fue software libre Fue desarrollado por el equipo de investigación EASY-STEM, que permite un procesamiento más sencillo de los datos de imágenes TEM. Esto puede acortar el tiempo necesario para avanzar en la investigación científica y transferirla a la aplicación práctica.

El programa contiene un archivo. interfaz gráfica de usuario Lo que permite a los usuarios ingresar con clics del mouse, por lo que las personas no necesitan ser expertos en codificación, pero aún pueden crear análisis sorprendentes».