O estresse aumenta as propriedades de um material promissor para tecnologias futuras.

Pesquisadores da UNSW descobriram um novo estado exótico de um dos materiais multiferróicos mais promissores, com implicações interessantes para tecnologias futuras usando essas propriedades aprimoradas.

Combinando um equilíbrio cuidadoso de tensão de filme fino, distorção e espessura, a equipe estabilizou uma nova fase intermediária em um dos poucos materiais multiferróicos em temperatura ambiente conhecidos.

O estudo teórico e experimental americano-australiano mostra que esta nova fase tem uma figura de mérito eletromecânica superior ao dobro do seu valor usual, e que podemos até mesmo transformar facilmente entre esta fase intermediária em outras fases usando um campo elétrico.

Além de fornecer uma nova técnica valiosa para o kit de ferramentas de todos os cientistas de materiais internacionais que trabalham com multiferróicos e epitaxia, os resultados finalmente lançam luz sobre como as técnicas epitaxiais podem ser usadas para melhorar a resposta funcional de materiais para futura aplicação em dispositivos de próxima geração.

O estresse muda tudo

Se 2020-21 nos ensinou alguma coisa, é que o estresse muda tudo. Mesmo a pessoa mais "junta" pode lutar e mudar, devido ao estresse suficiente em sua vida.

O mesmo se aplica a cristais, também. Quando aplicamos estresse aos cristais, eles ficam tensos e podem mudar sua estrutura e propriedades físicas dramaticamente. A tensão imposta a um material geralmente empurra ou separa ao longo de (pelo menos) um eixo, criando tensão compressiva e de tração.

A deformação de filmes finos em substratos faz com que os blocos de construção do filme se deformem para coincidir com os tamanhos dos blocos de construção do substrato vizinho. Se as unidades estruturais do substrato forem maiores do que as do filme fino (o quadrado azul), o filme (contorno branco) vai se esticar horizontalmente (ou seja, "tensão de tração") e comprimir verticalmente para caber.

Por outro lado, uma célula de estrutura de substrato menor (quadrado verde) fará com que a estrutura do filme seja comprimida horizontalmente ("tensão compressiva") e esticada verticalmente.

"Em nossa pesquisa, aplicamos tensão anisotrópica ao nosso filme. Isso significa que a deformação aplicada é diferente dependendo da direção que você está olhando, e isso pode criar estados de tensão complicados que forçam os filmes a novas fases, "diz o primeiro autor Oliver Paull (UNSW).

BiFeO ₃ (ou BFO) ostenta um currículo impressionante de propriedades multifuncionais, incluindo piezoeletricidade, ferroeletricidade, magnetismo e propriedades ópticas.

BFO é indiscutivelmente o material magnetoelétrico mais popular para pesquisadores (ou seja, um material que tem ordenação magnética e elétrica que podem influenciar uma à outra).

Materiais magnetoelétricos são altamente interessantes para spintrônica e aplicações de memória, uma vez que o acoplamento entre magnetismo e ferroeletricidade promete tecnologias de baixa energia. (Gravar dados com um campo elétrico é muito mais eficiente do que gravar com campo magnético.)

O BFO não é apenas magnetoelétrico, mas é um dos poucos materiais magnetoelétricos à temperatura ambiente, tornando-o viável para uso em aplicações como futuros eletrônicos de baixa energia, sem a necessidade de resfriamento criogênico de uso intensivo de energia.

Apenas muito poucos materiais multiferróicos (ou seja, materiais que têm ordem magnética e elétrica) exibem essas propriedades úteis à temperatura ambiente.

Além disso, O BFO possui outras propriedades funcionais:piezoeletricidade, ferroeletricidade, efeitos fotovoltaicos, e mais. Também não contém chumbo, dando-lhe uma vantagem clara contra a maioria dos materiais piezoelétricos de alto desempenho, que infelizmente contém chumbo tóxico.

Materiais piezoelétricos, que pode converter pressão mecânica em energia elétrica, têm amplas aplicações como sensores de ultra-alta sensibilidade em dispositivos como sensores de movimento de smartphones e marcapassos (onde evitar materiais tóxicos é uma vantagem).

Usando substratos altamente misturados, a equipe de pesquisa empurrou o BFO para uma nova fase que é essencialmente a ligação entre as fases semelhantes a romboédrica e tetragonal.

Esse, acoplado com as propriedades relacionadas à simetria da fase, permite que seja facilmente influenciado por campos elétricos.

"Analisamos a literatura e descobrimos que todos usam orientações de substrato comercial razoavelmente padrão, "diz o investigador principal Daniel Sando." Pedimos aos nossos fornecedores que fizessem diferentes orientações erradas entre as orientações padrão, o que levou à descoberta da nova fase. Nós nos perguntamos se o motivo pelo qual as pessoas não fizeram isso antes é que a cristalografia envolvida com esses cortes errados é bastante complexa e pode ser intimidante. "

A colaboração internacional entre pesquisadores do Oak Ridge National Lab, University of Arkansas, e Monash University, usou cálculos teóricos e um conjunto de técnicas experimentais para mostrar que esta nova fase tem uma resposta eletromecânica muito maior do que o BFO tradicional.

"Além disso, mostramos fortes evidências de que esta fase de baixa simetria pode ser convertida em uma fase de maior simetria usando um campo elétrico, e, como resultado, pode aumentar a resposta eletromecânica ainda mais por um fator de 3, "diz Oliver Paull.

Uma ferramenta polivalente:aplicando a abordagem a uma ampla gama de materiais óxidos

Um dos aspectos mais atraentes dessa descoberta é sua metodologia geral e aplicabilidade a uma ampla classe de sistemas de materiais.

“Escolhemos focar no BiFeO ₃ devido ao seu ferroelétrico, magnético, e propriedades piezoelétricas, mas a abordagem é facilmente aplicada a outros óxidos de perovskita, "diz Oliver Paull.

"Atualmente, estamos explorando o efeito desses substratos de alto índice em sistemas puramente ferroelétricos ou magnéticos, mas o escopo para usar essa técnica é enorme. Esperamos encontrar fases de baixa simetria de materiais opticamente interessantes, bem como novos arranjos de domínio em ferroelétricos, para nomear alguns, "observou Laurent Bellaiche, a liderança teórica do projeto. "

"Se você está lidando com epitaxia, então esta técnica anisotrópica pode ser muito proveitosa para sua pesquisa, "diz Daniel Sando.

"Este estudo é apenas o começo. Pretendemos combinar esta abordagem de epitaxia anisotrópica às superredes de óxido (camadas repetidas de diferentes composições, ou seja, A-B-A-B etc.), bem como combinar as estruturas de cristal de baixa simetria com outras rotas estabelecidas para melhorar a resposta piezométrica, incluindo substituição por elementos de terras raras, por exemplo. Finalmente, uma vez que o BFO é multiferróico, temos uma série de estudos magnéticos planejados para esta nova fase de baixa simetria ", disse o chefe do laboratório da UNSW, Nagy Valanoor.

Existem aplicações possíveis ainda mais amplas:Os piezoelétricos usados ​​em sensores e atuadores são normalmente compostos à base de chumbo em massa. Embora a nova abordagem seja de nicho e muito orientada para a pesquisa, pode haver espaço para os novos métodos funcionarem em indústrias como nano-atuadores ou sensores. O aspecto principal é o uso da abordagem de epitaxia anisotrópica para 1) gerar uma fase de baixa simetria, e 2) facilitar melhorias na resposta; nesse caso, o coeficiente piezoelétrico.

"Estabilização epitaxial anisotrópica de um ferroelétrico de baixa simetria com resposta eletromecânica aprimorada" foi publicado em Materiais da Natureza em setembro de 2020.