p Os cientistas expandiram muito a gama de temperaturas funcionais para produtos ferroelétricos, um material importante usado em uma variedade de aplicações diárias, criando o primeiro gradiente de polarização em um filme fino. p A conquista, relatado em 10 de maio em Nature Communications por pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab), abre o caminho para o desenvolvimento de dispositivos capazes de suportar comunicações sem fio em ambientes extremos, de dentro de reatores nucleares para as regiões polares da Terra.

p Os materiais ferroelétricos são valorizados por possuírem uma polarização espontânea reversível por um campo elétrico aplicado e pela capacidade de produzir cargas elétricas em resposta à pressão física. Eles podem funcionar como capacitores, transdutores, e osciladores, e eles podem ser encontrados em aplicativos como cartões de transporte público, imagem de ultrassom, e sistemas de ignição por botão.

p Os cientistas do Berkeley Lab criaram uma cepa e gradiente químico em uma película de titanato de estrôncio de bário com 150 nanômetros de espessura, um material ferroelétrico amplamente utilizado. Os pesquisadores foram capazes de medir diretamente os pequenos deslocamentos atômicos no material usando microscopia avançada de ponta no Berkeley Lab, encontrar gradientes na polarização. A polarização variou de 0 a 35 microcoulombs por centímetro quadrado ao longo da espessura do material de filme fino.

p Jogando fora as previsões do livro didático

p "Os livros tradicionais de física e engenharia não teriam previsto essa observação, "disse o investigador principal do estudo, Lane Martin, cientista do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e professor associado de materiais e engenharia da UC Berkeley. "Criar gradientes em materiais custa muita energia - a Mãe Natureza não gosta deles - e o material trabalha para nivelar tais desequilíbrios de todas as maneiras possíveis. Para que ocorra um grande gradiente como o que temos aqui, precisávamos de algo mais no material para compensar essa estrutura desfavorável. Nesse caso, a chave são os defeitos naturais do material, como cargas e vacâncias de átomos, que acomodam o desequilíbrio e estabilizam o gradiente na polarização. "

p A criação de um gradiente de polarização teve o efeito benéfico de expandir a faixa de temperatura para um desempenho ideal do material ferroelétrico. A função do titanato de bário é fortemente dependente da temperatura, com efeitos relativamente pequenos perto da temperatura ambiente e um grande, pico agudo em resposta a cerca de 120 graus Celsius. Isso torna difícil alcançar um bom controle, função confiável, pois a temperatura varia além de uma janela bastante estreita. Para adaptar o material para trabalhar em aplicações em temperatura ambiente e próxima a ela, engenheiros ajustam a química do material, mas a faixa de temperaturas onde os materiais são úteis permanece relativamente estreita.

p "O novo perfil de polarização que criamos dá origem a uma resposta dielétrica quase insensível à temperatura, o que não é comum em materiais ferroelétricos, "disse Martin." Fazendo um gradiente na polarização, o ferroelétrico opera simultaneamente como uma gama ou continuum de materiais, dando-nos resultados de alto desempenho em uma janela de 500 graus Celsius. Em comparação, padrão, os materiais de prateleira hoje dariam as mesmas respostas em uma janela de 50 graus Celsius muito menor. "

p Além das expansões óbvias para ambientes mais quentes e frios, os pesquisadores observaram que essa faixa mais ampla de temperatura pode diminuir o número de componentes necessários em dispositivos eletrônicos e, potencialmente, reduzir o consumo de energia dos telefones sem fio.

p "O smartphone que estou segurando na mão agora tem ressonadores dielétricos, deslocadores de fase, osciladores - mais de 200 elementos no total - com base em materiais semelhantes aos que estudamos neste artigo, "disse Martin." Cerca de 45 desses elementos são necessários para filtrar os sinais que chegam e saem do seu telefone celular para garantir que você tenha um sinal claro. É uma grande quantidade de bens imóveis para dedicar a uma função. "

p Como as mudanças na temperatura alteram a ressonância dos materiais ferroelétricos, há ajustes constantes sendo feitos para combinar os materiais com o comprimento de onda dos sinais enviados pelas torres de celular. É necessária energia para sintonizar o sinal, e quanto mais desafinado estiver, mais energia o telefone precisa usar para obter um sinal claro para o chamador. Um material com um gradiente de polarização capaz de operar em grandes regimes de temperatura poderia reduzir a potência necessária para sintonizar o sinal.

p Detectores mais rápidos permitem novas técnicas de imagem

p A compreensão do gradiente de polarização envolveu o uso de cepa epitaxial, uma estratégia em que uma camada cristalina é cultivada em um substrato, mas com uma incompatibilidade na estrutura da rede. Esta técnica de engenharia de deformação, comumente empregado na fabricação de semicondutores, ajuda a controlar a estrutura e melhorar o desempenho dos materiais.

p Avanços recentes na microscopia eletrônica permitiram aos pesquisadores obter dados estruturais em escala atômica do titanato de estrôncio de bário, e para medir diretamente a deformação e gradiente de polarização.

p "Nós estabelecemos uma maneira de usar difração de varredura de nano feixe para registrar os padrões de difração de cada ponto, e depois analisa os conjuntos de dados para dados de deformação e polarização, "disse o co-autor do estudo, Andrew Minor, diretor do Centro Nacional de Microscopia Eletrônica da Fundição Molecular do Berkeley Lab, um DOE Office of Science User Facility. “Este tipo de mapeamento, foi pioneiro no Berkeley Lab, é novo e muito poderoso. "

p Outro fator importante foi a velocidade do detector, Menor adicionado. Para este artigo, os dados foram obtidos a uma taxa de 400 frames por segundo, uma ordem de magnitude mais rápida do que a taxa de 30 quadros por segundo de apenas alguns anos atrás. Esta técnica agora está disponível para usuários na Fundição.

p "Estamos vendo uma revolução na microscopia relacionada ao uso de detectores de elétrons diretos que está mudando muitos campos de pesquisa, "disse Menor, que também tem uma nomeação como professor de ciência e engenharia de materiais da UC Berkeley. "Somos capazes de ver e medir as coisas em uma escala que era difícil de imaginar até recentemente."