Mudando as propriedades dos materiais ferroelanãtricos, desocupando um aºnico a¡tomo de oxigaªnio
Os pesquisadores do Technion-Israel Institute of Technology conseguiram mudar as propriedades dos materiais ferroelanãtricos, retirando um aºnico a¡tomo de oxigaªnio da estrutura original.
Resumo gra¡fico. Crédito: DOI: 10.1021 / acsnano.1c03623
Pesquisadores do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do Technion conseguiram alterar as propriedades elanãtricas de um material desocupando um a¡tomo de oxigaªnio da estrutura original. As aplicações possaveis incluem miniaturização de dispositivos eletra´nicos e detecção de radiação.
O que a imagem de ultrassom de um feto, a comunicação ma³vel celular, os micromotores e as memórias de computador com baixo consumo de energia tem em comum? Todas essas tecnologias são baseadas em materiais ferroelanãtricos, que se caracterizam por uma forte correlação entre sua estrutura atômica e as propriedades elanãtricas e meca¢nicas.
Os pesquisadores do Technion-Israel Institute of Technology conseguiram mudar as propriedades dos materiais ferroelanãtricos, retirando um aºnico a¡tomo de oxigaªnio da estrutura original. O avanço pode abrir caminho para o desenvolvimento de novas tecnologias. A pesquisa foi chefiada pelo Professor Assistente Yachin Ivry do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, acompanhado pelo pesquisador de pa³s-doutorado Dr. Hemaprabha Elangovan e Ph.D. estudante Maya Barzilay, e foi publicado na ACS Nano . Observa-se que a engenharia de uma vaca¢ncia de oxigaªnio individual representa um desafio considera¡vel devido ao peso leve dos a¡tomos de oxigaªnio .
Em materiais ferroelanãtricos , um ligeiro deslocamento dos a¡tomos causamudanças significativas no campo elanãtrico e na contração ou expansão do material. Este efeito éo resultado do fato de que a unidade ba¡sica de repetição no material contanãm a¡tomos que são organizados em uma estrutura assimanãtrica.
Para explicar isso melhor, os pesquisadores usam o material ferroelanãtrico seminal, o titanato de ba¡rio, cujos a¡tomos formam uma estrutura de rede semelhante a um cubo. Nestes materiais, ocorre um fena´meno aºnico: o a¡tomo de tita¢nio se afasta dos a¡tomos de oxigaªnio. Como o tita¢nio écarregado positivamente e o oxigaªnio negativamente, essa separação cria polarização, ou em outras palavras, um momento de dipolo elanãtrico.
Uma rede caºbica tem seis faces, então os a¡tomos carregados se movem para uma das seis possibilidades. Em diferentes partes do material, um grande número de a¡tomos vizinhos muda na mesma direção, e a polarização em cada uma dessas áreas, que éconhecida como domanio ferroelanãtrico , éuniforme. As tecnologias tradicionais baseiam-se no campo elanãtrico criado nesses domanios. No entanto, nos últimos anos, um grande esfora§o tem sido direcionado para minimizar o tamanho do dispositivo e usar as fronteiras, ou paredes, entre os domanios em vez dos pra³prios domanios, convertendo assim os dispositivos de estruturas tridimensionais em bidimensionais estruturas.
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A comunidade de pesquisa tem se mantido dividida em relação ao que acontece no mundo bidimensional das paredes do domanio : Como a fronteira entre dois domanios com polarização elanãtrica diferente éestabilizada? A polarização nas paredes do domanio édiferente da polarização nos pra³prios domanios? As propriedades da parede do domanio podem ser controladas de maneira localizada? O grande interesse em responder a essas questões decorre do fato de um material ferroelanãtrico em sua forma natural ser um excelente isolante elanãtrico. No entanto, as paredes do domanio podem estar conduzindo eletricamente, formando assim um objeto bidimensional que écontrola¡vel pela vontade. Esse fena´meno envolve o potencial de reduzir significativamente o consumo de energia de dispositivos de armazenamento e processamento de dados.
Neste projeto, os pesquisadores conseguiram decifrar a estrutura atômica e a implantação do campo elanãtrico em paredes de domanio em escala atômica. Em seu artigo recente, eles corroboram a suposição de que as paredes de domanio permitem a existaªncia de uma fronteira bidimensional entre os domanios em decorraªncia da vaca¢ncia parcial de oxigaªnio em áreas comuns a dois domanios, possibilitando assim maior flexibilidade na implantação do local campo elanãtrico. Eles conseguiram induzir engenhosamente a vaca¢ncia de um a¡tomo de oxigaªnio individual e demonstraram que essa ação cria dipolos opostos e maior simetria elanãtrica - uma estrutura topola³gica única chamada quadrupolo.
Com a ajuda de simulações de computador por Shi Liu da Westlake University na China, os pesquisadores demonstraram que a engenharia da vaca¢ncia do a¡tomo de oxigaªnio tem um grande impacto nas propriedades elanãtricas do material não apenas na escala atômica, mas também na escala que érelevante para dispositivos eletra´nicos, por exemplo, em termos de condutividade elanãtrica. O significado éque a presente conquista cientafica provavelmente ajudara¡ na miniaturização de dispositivos desse tipo, bem como na redução de seu consumo de energia.
Em colaboração com pesquisadores do Centro de Pesquisa Nuclear de Negev, o grupo de pesquisa Technion também demonstrou que as vaca¢ncias de oxigaªnio podem ser projetadas expondo o material a radiação eletra´nica. Consequentemente, além do potencial tecnola³gico da descoberta em eletra´nica, também podera¡ ser possível utilizar o efeito para detectores de radiação, permitindo a detecção precoce - e prevenção - de acidentes nucleares , como o ocorrido em 2011 em Fukushima. , Japa£o.