U elektronskim tehnologijama, ključna svojstva materijala se menjaju kao odgovor na stimuluse poput napona ili struje. Naučnici imaju za cilj da razumeju ove promene u smislu strukture materijala na nanoskali (nekoliko atoma) i mikroskali (debljina komada papira). Često se zanemaruje oblast između mezoskala – koja obuhvata 10 milijarditih do 1 milioniti deo metra.
Naučnici iz Nacionalne laboratorije Argonne Ministarstva energetike SAD (DOE), u saradnji sa Univerzitetom Rajs i Nacionalnom laboratorijom Lorens Berkli iz DOE, napravili su značajan napredak u razumevanju mezoskalnih svojstava feroelektričnog materijala pod električnim poljem. Istraživanje je objavljeno u časopisu Nauka.
Ovaj proboj sadrži potencijal za napredak u računarskoj memoriji, laserima za naučne instrumente i senzorima za ultraprecizna merenja.
Feroelektrični materijal je oksid koji sadrži složenu mešavinu olova, magnezijuma, niobijuma i titanijuma. Naučnici ovaj materijal nazivaju relaksorskim feroelektrikom. Odlikuje se sićušnim parovima pozitivnih i negativnih naelektrisanja, ili dipola, koji se grupišu u klastere koji se nazivaju „polarni nanodomeni“.
Pod električnim poljem, ovi dipoli se poravnavaju u istom pravcu, uzrokujući da materijal menja oblik ili naprezanje. Slično, primena naprezanja može promeniti smer dipola, stvarajući električno polje.
„Ako analizirate materijal na nanoskali, saznaćete samo o prosečnoj atomskoj strukturi u ultramalom regionu“, rekao je Jue Cao, fizičar iz Argona. „Ali materijali nisu nužno uniformni i ne reaguju na isti način na električno polje u svim delovima. Ovo je mesto gde mezoskala može da naslika potpuniju sliku premošćivanja nano-na mikroskala.“
Potpuno funkcionalan uređaj zasnovan na relaksacionom feroelektriku proizvela je grupa profesora Lejn Martin na Univerzitetu Rajs da bi testirala materijal u radnim uslovima. Njegova glavna komponenta je tanak film (55 nanometara) relaksorskog feroelektrika u sendviču između slojeva nanorazmera koji služe kao elektrode za primenu napona i generisanje električnog polja.
Koristeći linije snopa u sektorima 26-ID i 33-ID Argonneovog naprednog izvora fotona (APS), članovi Argonne tima su mapirali mezoskalne strukture unutar relaksora.
Ključ uspeha ovog eksperimenta bila je specijalizovana sposobnost nazvana koherentna rendgenska nanodifrakcija, dostupna preko tvrde rendgenske nanosonde (Beamline 26-ID) kojom upravlja Centar za materijale nanorazmera u Argonu i APS. Oba su korisnički objekti DOE Office of Science.
Rezultati pokazuju da se, pod električnim poljem, nanodomene samosastavljaju u mezoskalne strukture koje se sastoje od dipola koji se poravnavaju u složenom uzorku nalik pločicama. Tim je identifikovao lokacije naprezanja duž granica ovog obrasca i regione koji jače reaguju na električno polje.
„Ove submikrorazmerne strukture predstavljaju novi oblik samosastavljanja nanodomena koji ranije nije bio poznat“, primetio je Džon Mičel, istaknuti saradnik iz Argona. „Neverovatno, mogli bismo da pratimo njihovo poreklo sve do osnovnih atomskih kretanja na nanorazmeri…“
„Naš uvid u strukture mezoskale pruža novi pristup dizajnu manjih elektromehaničkih uređaja koji rade na načine za koje se smatra da su mogući“, rekao je Martin.
„Svetliji i koherentniji snopovi rendgenskih zraka koji su sada mogući uz nedavnu nadogradnju APS-a omogućiće nam da nastavimo da poboljšavamo naš uređaj“, rekao je Hao Dženg, vodeći autor istraživanja i naučnik u APS-u.
„Tada možemo proceniti da li uređaj ima primenu za energetski efikasnu mikroelektroniku, kao što je neuromorfno računarstvo po uzoru na ljudski mozak. Mikroelektronika male snage je od suštinskog značaja za rešavanje stalno rastućih zahteva za energijom elektronskih uređaja širom sveta, uključujući mobilne telefone, desktop računare i superkompjutere.“
