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(Noticias de Nanowerk) 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 el Grupo Alem en 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 polarización eléctrica espontánea cuando se les aplica una carga eléctrica externa. Esto provoca una polarización eléctrica espontánea cuando las cargas positivas y negativas de los materiales conducen a polos opuestos. 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 generen 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 a la energía basada en el carbono, como B. la producción de energía a partir del calor residual. Además, los materiales ferroeléctricos son particularmente útiles para el almacenamiento y almacenamiento de datos porque pueden permanecer en un estado polarizado sin fuente de alimentación adicional, lo que los hace atractivos para el almacenamiento de datos y la electrónica de bajo consumo. También se utilizan ampliamente en aplicaciones útiles como interruptores, dispositivos médicos esenciales como monitores de frecuencia cardíaca y ultrasonidos, almacenamiento de energía y actuadores.
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 las desventajas de los materiales actuales», dijo Nasim Alem, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Estatal de Pensilvania y autor correspondiente del estudio. «Y en este momento, el plomo en todos estos materiales es una gran desventaja porque el plomo es peligroso. Esperamos que nuestro estudio pueda conducir a un candidato adecuado para un mejor sistema piezoeléctrico”.
Para desarrollar una ruta hacia un material sin plomo con fuertes propiedades piezoeléctricas, el equipo de investigación trabajó con manganato de calcio, Ca3Minnesota2O7 (OCM). CMO es un nuevo material ferroeléctrico inadecuado híbrido con algunas propiedades interesantes.
«El principio de diseño de este material es combinar el movimiento de los pequeños octaedros de oxígeno del material», dijo Leixin Miao, estudiante de doctorado en ciencia de los materiales y primer autor del estudio en comunicación de la naturaleza («Nanorregiones de bicapa polar y antisitios de Mn en (Ca,Sr)3Minnesota2O7«). «En el material hay octaedros de átomos de oxígeno que pueden inclinarse y rotar. El término ‘híbrido ferroeléctrico inadecuado’ significa que combinamos la rotación y la inclinación de los octaedros para producir ferroelectricidad. Se llama ‘híbrido’ Considerado porque es la combinación de dos movimientos de los octaedros que crean esta polarización para la ferroelectricidad. Se considera un ferroeléctrico «inadecuado» porque la polarización se crea como un efecto secundario».
También hay una característica única de la microestructura de CMO que ha desconcertado a los investigadores.
«A temperatura ambiente, hay algunas fases polares y no polares que coexisten en el cristal a temperatura ambiente», dijo Miao. «Y se cree que estas fases coexistentes se correlacionan con un comportamiento de expansión térmica negativa. Como es bien sabido, un material se expande cuando se calienta, pero se contrae. Eso es interesante, pero sabemos muy poco sobre la estructura, como cómo coexisten las fases polar y no polar».
Para comprender mejor esto, los investigadores utilizaron microscopía electrónica de transmisión a escala atómica.
«Usamos microscopía electrónica porque con la microscopía electrónica podemos usar sondas a escala atómica para ver la disposición atómica exacta en la estructura», dijo Miao. «Y fue muy sorprendente observar las nanorregiones de bicapa polar en los cristales de CMO. Hasta donde sabemos, es la primera vez que una microestructura de este tipo se ha fotografiado directamente en los materiales de perovskita en capas».
Según los investigadores, nunca antes se había observado lo que le sucede a un material que experimenta una transición de fase ferroeléctrica de este tipo. Pero con microscopía electrónica, pudieron monitorear el material y lo que sucedía durante la transición de fase.
«Hemos estado monitoreando el material, lo que sucede durante la transición de fase, y hemos podido estudiar, átomo por átomo, qué tipo de unión tenemos, qué tipo de distorsiones estructurales tenemos en el material y cómo que puede cambiar en función de la temperatura», dijo Alem, «y eso explica muy bien algunas de las observaciones que la gente ha hecho con este material. Por ejemplo, cuando obtienen el coeficiente de expansión térmica, nadie sabía realmente de dónde procedía. Básicamente, fue como bajar al nivel atómico y comprender la física atómica subyacente, la química y también la dinámica de la transición de fase a medida que cambia”.
Esto, a su vez, permitiría el desarrollo de materiales piezoeléctricos de alto rendimiento y sin plomo.
«Los científicos han estado tratando de encontrar nuevas formas de descubrir materiales ferroeléctricos sin plomo para muchas aplicaciones útiles», dijo Miao. «Se cree que la existencia de las nanorregiones polares es beneficiosa para las propiedades piezoeléctricas, y ahora hemos demostrado que a través de la ingeniería de defectos podríamos diseñar nuevos cristales piezoeléctricos fuertes, que eventualmente usarán cualquier material que contenga plomo para ultrasonidos o actuadores». aplicaciones.» reemplazaría.»
El trabajo de caracterización que reveló estos procesos nunca antes vistos en el material se llevó a cabo en las instalaciones del Instituto de Investigación de Materiales en el Complejo Científico Milenio. Esto incluyó experimentos con varios microscopios electrónicos de transmisión (TEM), que hicieron posible ver cosas nunca antes vistas.
Otro beneficio del estudio fue el software gratuito desarrollado por el equipo de investigación EASY-STEM, que permite un procesamiento más sencillo de los datos de imágenes TEM. Esto podría reducir potencialmente el tiempo requerido para avanzar en la investigación científica y traducirla en una aplicación práctica.
«El software tiene una interfaz gráfica de usuario que permite a los usuarios ingresar con clics del mouse, por lo que los usuarios no necesitan ser expertos en codificación, pero aún pueden crear análisis sorprendentes», dijo Miao.
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