Dengan menjaga ‘gelembung’ feroelektrik tetap utuh, para peneliti membuka jalan bagi perangkat baru – Majalah Time.com

Ketika seorang pesulap tiba-tiba menarik taplak meja dari meja yang penuh dengan piring dan gelas, ada momen menegangkan saat penonton bertanya-tanya apakah panggung akan segera dipenuhi pecahan kaca. Sampai saat ini, dilema serupa telah dihadapi para ilmuwan yang bekerja dengan gelembung listrik khusus untuk menciptakan generasi berikutnya dari perangkat penyimpanan energi dan mikroelektronika fleksibel.

Para ilmuwan di Departemen Energi AS (KELINCI BETINA) Argonne National Laboratory telah menemukan cara baru untuk melakukan trik taplak meja versi skala atom dengan mengelupas film tipis heterostruktur yang mengandung gelembung listrik dari bahan atau substrat tertentu, sambil menjaganya tetap utuh. Penemuan ini dapat membawa kita selangkah lebih dekat ke sejumlah aplikasi yang mengandalkan struktur yang tidak biasa dan rapuh ini.

“Anda dapat menganggapnya seperti mencoba melepaskan sebuah rumah dari fondasinya. Biasanya, Anda akan berpikir bahwa rumah itu akan runtuh, tetapi kami menemukan bahwa itu mempertahankan semua propertinya.” – Saidur Bakaul, ilmuwan material Argonne

“Gelembung sangat rapuh dan awalnya membutuhkan bahan dasar tertentu, yang disebut substrat, dan kondisi khusus untuk menumbuhkan film dengannya,” kata ilmuwan material Argonne, Saidur Bakaul. kami“Ada banyak bahan yang menarik bagi kami yang gelembung ini bisa sangat berguna, seperti plastik. Namun, kami belum dapat menumbuhkannya secara langsung pada bahan-bahan ini. Penelitian kami adalah langkah awal untuk memungkinkan terjadinya gelembung di sana.”

Gelembung listrik ditemukan dalam struktur ultra tipis tiga lapis dengan sifat listrik bolak-balik: feroelektrik, lalu dielektrik, lalu feroelektrik lagi. Gelembung dalam struktur multilayer ini terbuat dari dipol yang dipesan secara khusus, atau muatan listrik kembar. Orientasi dipol ini didasarkan pada regangan lokal pada material dan muatan pada permukaan yang menyebabkan dipol mencari keadaan energi yang relatif paling rendah. Akhirnya, gelembung listrik (domain gelembung) terbentuk tetapi hanya jika kondisi tertentu terpenuhi. Mereka juga mudah terdistorsi oleh kekuatan kecil sekalipun.

Dalam percobaan tersebut, rekan Bakaul di University of New South Wales pertama kali menumbuhkan gelembung dalam film heterostruktur ultra tipis pada substrat strontium titanat — salah satu bahan termudah untuk membuatnya. Kemudian, Bakaul menghadapi tantangan menghilangkan heterostruktur dari substrat sambil mempertahankan gelembung. kami“Anda dapat menganggapnya seperti mencoba melepaskan sebuah rumah dari fondasinya, ”katanya. kami“Biasanya, Anda akan berpikir bahwa rumah itu akan runtuh, tetapi kami menemukan bahwa itu mempertahankan semua propertinya.”

Domain gelembung kecil. Mereka hanya tentang 4 nanometer dalam radius — selebar manusia DNA untai. Karena itu, mereka sulit dilihat. Di divisi Ilmu Material Argonne, teknik mikroskopis pemindaian canggih dengan analisis transformasi Fourier memungkinkan para ilmuwan untuk tidak hanya melihatnya tetapi juga mengukur sifat mereka dalam film yang berdiri sendiri.

Untuk memastikan bahwa domain gelembung tetap utuh, Bakaul mengukur sifat elektronik (kapasitansi) dan piezoelektriknya melalui dua teknik mikroskopi: pemindaian mikroskop impedansi gelombang mikro dan mikroskop gaya piezoresponse. Jika gelembung telah hancur, kapasitansi akan berubah di bawah tegangan yang diberikan, tetapi Bakaul melihat bahwa itu tetap relatif stabil sampai tegangan yang cukup tinggi.

Eksperimen ini memvalidasi estimasi numerik kapasitansi yang diperoleh dari analisis teoretis yang dikembangkan Bakaul dan muridnya dengan menggabungkan simulasi atomistik dengan teori rangkaian. kami“Kombinasi eksperimen dan simulasi membuktikan secara meyakinkan bahwa gelembung-gelembung ini mampu hidup bahkan ketika dikeluarkan dari substrat aslinya. Itu adalah sesuatu yang kami harapkan untuk dicapai sejak lama,” kata Bakaul.

Ketika gelembung dihilangkan, film heterostruktur — yang sebelumnya rata seperti taplak meja — tiba-tiba tampak bergelombang. Sementara Bakaul mencatat bahwa banyak yang mungkin menganggap perubahan ini akan merusak sifat gelembung, ia menemukan bahwa gelembung sebenarnya dilindungi oleh perubahan tegangan bawaan bahan. Simulasi atomistik yang dilakukan oleh rekan Bakaul di Universitas Arkansas menunjukkan bahwa energi elastis pada antarmuka bebas adalah asal mula pembentukan riak.

Hasilnya menarik, menurut Bakaul, karena gelembung-gelembung ini memiliki sifat listrik dan mekanik yang tidak biasa dan menarik. kami“Gelembung feroelektrik adalah objek skala nano yang baru ditemukan, ”katanya. kami“Ada konsensus di masyarakat bahwa mereka mungkin memiliki banyak aplikasi. Misalnya, transformasi gelembung-gelembung ini menghasilkan respons elektromekanis yang luar biasa tinggi, yang dapat diterapkan di berbagai perangkat dalam mikroelektronika dan aplikasi energi.”

Meskipun fisika dan bukan sihir yang telah menciptakan jalan baru yang potensial untuk integrasi gelembung-gelembung ini, Bakaul menunjukkan bahwa teknologi baru berdasarkan mereka dapat memiliki dampak transformatif. kami“Apakah kita sedang mendiskusikan pemanen energi atau superkomputer, gelembung-gelembung ini dapat membuat perbedaan besar untuk banyak bahan dan aplikasi yang berbeda,” katanya.

Penelitian ini didanai oleh KELINCI BETINA‘s Office of Science (Kantor Ilmu Energi Dasar). Para penulis memanfaatkan fasilitas nanofabrication dan cleanroom di Argonne’s Center for Nanoscale Materials, a KELINCI BETINA Fasilitas pengguna Office of Science, untuk menyiapkan sampel untuk karakterisasi kelistrikan.

Sebuah makalah berdasarkan penelitian,​“Domain Gelembung Ferroelektrik Berdiri Bebas,” diterbitkan pada September 19 masalah Materi Lanjutan. Penulis makalah lainnya termasuk Amanda Petford-Long dari Argonne, serta Sergei Prokhorenko, Yousra Nahas dan Laurent Bellaiche dari University of Arkansas, ditambah Qi Zhang dan Nagarajan Valanoor dari University of New South Wales dan Yushi Hu dari University of Chicago (mahasiswa magang di Argonne).