دانشمندان گام‌های بزرگی در درک خواص یک ماده فِروالکتریک تحت میدان الکتریکی برداشته‌اند. این کشف علمی و پیشرفت می‌تواند پتانسیل پیشرفت در حافظه کامپیوتر، لیزرها و حسگرها برای اندازه‌گیری‌های فوق‌دقیق را داشته باشد.
دانشمندان خواص یک ماده را در فرم لایه نازک تعیین کردند که از یک ولتاژ برای ایجاد تغییر شکل و بالعکس استفاده می‌کند. پیشرفت آن‌ها پل ارتباطی بین درک نانومقیاس و میکرومقیاس را ایجاد می‌کند و امکانات جدیدی را برای فناوری‌های آینده می‌گشاید.
در فناوری‌های الکترونیکی، خواص کلیدی مواد در پاسخ به محرک‌هایی مانند ولتاژ یا جریان تغییر می‌کنند. دانشمندان هدف دارند این تغییرات را از نظر ساختار ماده در مقیاس نانو (چند اتم) و میکرو (ضخامت یک کاغذ) درک کنند. اغلب حوزه میانی، یعنی مزوسکال که بین ۱۰ میلیاردیم تا یک میلیونیم متر گسترده است، نادیده گرفته می‌شود.
دانشمندان آزمایشگاه ملی آرگون وزارت انرژی ایالات متحده (DOE)، در همکاری با دانشگاه رایس و آزمایشگاه ملی لارنس برکلی DOE، گام‌های بزرگی در درک خواص مزوسکال یک ماده فِروالکتریک تحت میدان الکتریکی برداشته‌اند. این پیشرفت می‌تواند پتانسیل پیشرفت در حافظه کامپیوتر، لیزرها برای ابزارهای علمی و حسگرها برای اندازه‌گیری‌های فوق‌دقیق را داشته باشد.
ماده فِروالکتریک یک اکسید حاوی ترکیبی پیچیده از سرب، منیزیم، نیوبیوم و تیتانیوم است. دانشمندان این ماده را به عنوان یک فِروالکتریک ریلکسور می‌شناسند. این ماده با جفت‌های کوچک بارهای مثبت و منفی یا دوقطبی‌ها مشخص می‌شود که در خوشه‌هایی به نام “نانودامنه‌های قطبی” گروه بندی می‌شوند. تحت یک میدان الکتریکی، این دوقطبی‌ها در یک جهت هم‌راستا می‌شوند که باعث تغییر شکل یا کرنش ماده می‌شود. به طور مشابه، اعمال کرنش می‌تواند جهت دوقطبی را تغییر داده و یک میدان الکتریکی ایجاد کند.
یو کائو، فیزیکدان آرگون، گفت: “اگر شما یک ماده را در مقیاس نانو تحلیل کنید، فقط در مورد ساختار اتمی متوسط در یک منطقه فوق کوچک اطلاعات کسب می‌کنید. اما مواد لزوماً یکنواخت نیستند و به یک شکل به میدان الکتریکی در همه نقاط پاسخ نمی‌دهند. اینجاست که مزوسکال می‌تواند تصویر کامل‌تری را برای اتصال نانو به میکرو ایجاد کند.”
یک دستگاه کاملاً کاربردی مبتنی بر یک فِروالکتریک ریلکسور توسط گروه پروفسور لین مارتین در دانشگاه رایس برای آزمایش ماده تحت شرایط عملیاتی تولید شد. مؤلفه اصلی آن یک لایه نازک (۵۵ نانومتر) از فِروالکتریک ریلکسور است که بین لایه‌های نانومقیاس قرار گرفته و به عنوان الکترود برای اعمال ولتاژ و تولید میدان الکتریکی عمل می‌کند.
با استفاده از پرتوهای خطی در بخش‌های ۲۶-ID و ۳۳-ID منبع فوتون پیشرفته آرگون (APS)، اعضای تیم آرگون ساختارهای مزوسکال درون ریلکسور را نگاشتند. کلید موفقیت این آزمایش یک قابلیت تخصصی به نام نانودیفراクション پرتو ایکس منسجم بود که از طریق نانوحسگر پرتو ایکس سخت (Beamline 26-ID) که توسط مرکز مواد نانومقیاس در آرگون و APS اداره می‌شود، در دسترس است. هر دو تأسیسات کاربری دفتر علوم DOE هستند.
نتایج نشان داد که تحت یک میدان الکتریکی، نانودامنه‌ها در ساختارهای مزوسکال متشکل از دوقطبی‌هایی که در یک الگوی کاشی‌مانند پیچیده هم‌راستا می‌شوند، خودآرایی می‌کنند (تصویر را ببینید). تیم مکان‌های کرنش را در امتداد مرزهای این الگو و مناطقی که قوی‌تر به میدان الکتریکی پاسخ می‌دهند، شناسایی کرد.
جان میچل، یک محقق برجسته آرگون، خاطرنشان کرد: “این ساختارهای زیرمیکروسکوپی نشان دهنده یک شکل جدید از خودآرایی نانودامنه است که قبلاً شناخته شده نبود. به طرز شگفت‌انگیزی، ما می‌توانستیم منشأ آن‌ها را تا حرکات اتمی زیربنایی نانومقیاس ردیابی کنیم؛ این فوق‌العاده است!”
مارتین گفت: “بینش‌های ما در مورد ساختارهای مزوسکال رویکرد جدیدی برای طراحی دستگاه‌های الکترومکانیکی کوچکتر ارائه می‌دهد که به روش‌هایی کار می‌کنند که قبلاً تصور نمی‌شد.”
هائو ژنگ، نویسنده اصلی این تحقیق و دانشمند پرتو خطی در APS، گفت: “پرتوهای ایکس روشن‌تر و منسجم‌تر که اکنون با ارتقاء اخیر APS امکان‌پذیر است، به ما امکان می‌دهد تا دستگاه خود را بهبود دهیم. سپس می‌توانیم ارزیابی کنیم که آیا این دستگاه کاربردی برای میکروالکترونیک کم‌مصرف، مانند محاسبات نورومورفیک مدل‌سازی شده بر اساس مغز انسان دارد یا خیر.” میکروالکترونیک کم‌مصرف برای رسیدگی به تقاضای رو به رشد انرژی از دستگاه‌های الکترونیکی در سراسر جهان، از جمله تلفن‌های همراه، رایانه‌های رومیزی و ابررایانه‌ها ضروری است.
این تحقیق در مجله Science گزارش شده است. علاوه بر کائو، مارتین، میچل و ژنگ، نویسندگان عبارتند از تائو ژو، دینا شیفر، جیون کیم، جی‌یوب کیم، تراویس فریزر، ژونگهو کای، مارتین هولت و ژان ژانگ.
بودجه این تحقیق از دفتر علوم انرژی پایه DOE و بنیاد ملی علوم تأمین شده است.
منبع: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/08/240801004053.htm