חוקרים מאוניברסיטת רייס ואוניברסיטת ברקלי גילו כי חומרים אנטי-פרואלקטריים, במיוחד זירקונט עופרת, מפגינים תגובות אלקטרו-מכניות גבוהות משמעותית בהשוואה לחומרים פיזואלקטריים מסורתיים כשהם ממוזערים. פריצת דרך זו עשויה להוביל לפיתוח של מכשירים אלקטרוניים ממוזערים יעילים וחזקים יותר.
מחקר של אוניברסיטת רייס מזהה חלופה בעלת ביצועים גבוהים לפרו-אלקטריות מסורתיות.
הדלקת גריל גז, קבלת אולטרסאונד, שימוש במברשת שיניים אולטרסאונד ⎯ פעולות אלו כרוכות בשימוש בחומרים שיכולים לתרגם מתח חשמלי לשינוי צורה ולהיפך.
המכונה פיאזואלקטריות, היכולת לסחור בין מתח מכני למטען חשמלי יכולה להיות ניתנת לרתום בקבלים, מפעילים, מתמרים וחיישנים כמו מדי תאוצה וג'ירוסקופים עבור אלקטרוניקה מהדור הבא. עם זאת, שילוב חומרים אלה במערכות ממוזערות היה קשה בגלל הנטייה של חומרים פעילים אלקטרו-מכנית ⎯ בקנה מידה תת-מיקרומטר, כאשר העובי הוא רק כמה מיליוניות אינץ' ⎯ "להידחס" על ידי החומר שאליו הם מחוברים. , מה שמפחית משמעותית את הביצועים שלהם.
חוקרים ומשתפי פעולה מאוניברסיטת רייס ב- אוניברסיטת קליפורניה, ברקלי מצאו כי סוג של חומרים פעילים אלקטרו-מכנית הנקראים אנטי-פרואלקטריים עשוי להחזיק את המפתח להתגברות על מגבלות ביצועים עקב הידוק במערכות אלקטרו-מכאניות ממוזערות. מחקר חדש שפורסם ב חומרי טבע מדווח שדגם של מערכת אנטי-פרואלקטרית, עופרת זירקונט (PbZrO3), מייצרת תגובה אלקטרו-מכאנית שיכולה להיות עד פי חמישה יותר מזו של חומרים פיזואלקטריים רגילים אפילו בסרטים שעובים רק 100 ננומטר (או 4 מיליוניות אינץ').
ביצועים של חומרים אלקטרו-מכאניים קונבנציונליים לעומת אנטי-פרואלקטריים. קרדיט: סכמטי באדיבות Hao Pan
"אנחנו משתמשים בחומרים פיזואלקטריים במשך עשרות שנים," אמר מדען חומרי האורז, ליין מרטין, שהוא המחבר המקביל במחקר. "לאחרונה הייתה מוטיבציה חזקה לשלב עוד יותר את החומרים הללו בסוגים חדשים של מכשירים שהם קטנים מאוד ⎯ כפי שהיית רוצה לעשות עבור, למשל, שבב שנכנס לתוך הטלפון או המחשב שלך. הבעיה היא שהחומרים האלה הם בדרך כלל פחות שמישים בקנה מידה קטן כזה."
על פי תקני התעשייה הנוכחיים, חומר נחשב לבעל ביצועים אלקטרו-מכניים טובים מאוד אם הוא יכול לעבור שינוי של 1% בצורה ⎯ או מאמץ ⎯ בתגובה לשדה חשמלי. עבור אובייקט שאורכו 100 אינצ'ים, למשל, התארכות או קצרה ב-1 אינץ' מייצגת מאמץ של 1%.
"מנקודת מבט של מדעי החומרים, זוהי תגובה משמעותית, שכן רוב החומרים הקשים יכולים להשתנות רק בשבריר של אחוז", אמר מרטין, פרופסור רוברט א. וולש, פרופסור למדעי החומרים וננו-הנדסה ומנהל ה-Rice Advanced מכון חומרים.
השפעות הידוק על פיזואלקטריק
כאשר חומרים פיזואלקטריים קונבנציונליים מוקטנים למערכות בגודל של פחות ממיקרומטר (1,000 ננומטר), הביצועים שלהם בדרך כלל מתדרדרים באופן משמעותי עקב הפרעות המצע, מה שממעיט את יכולתם לשנות צורה בתגובה לשדה חשמלי או להיפך, ליצור מתח בתגובה לשינוי בצורה.
ליין מרטין הוא פרופסור רוברט א. וולש מאוניברסיטת רייס, פרופסור למדעי חומרים וננו-הנדסה, ומנהל המכון לחומרים מתקדמים של רייס. קרדיט: ג'ף פיטלו/אוניברסיטת רייס
לטענת מרטין, אם הביצועים האלקטרומכניים היו מדורגים בסולם של 1-10 ⎯ כאשר 1 הוא הביצועים הנמוכים ביותר ו-10 הוא תקן התעשייה של 1% מתח ⎯ אז ההידוק בדרך כלל צפוי להוריד את התגובה האלקטרו-מכנית של פיזואלקטריים קונבנציונליים מ-10 לטווח 1-4.
"כדי להבין כיצד הידוק משפיע על התנועה, התמונה הראשונה במושב האמצעי במטוס ללא אף אחד משני הצדדים שלך ⎯ אתה תהיה חופשי להתאים את המיקום שלך אם אתה מרגיש אי נוחות, מתחמם יתר על המידה וכו'", אמר מרטין. "עכשיו תדמיינו את אותו תרחיש, אלא שעכשיו אתם יושבים בין שני קווים התקפיים ענקיים מקבוצת הכדורגל של רייס. אתה תהיה 'מהודק' ביניהם כך שבאמת לא תוכל להתאים באופן משמעותי את המיקום שלך בתגובה לגירוי."
החוקרים רצו להבין כיצד סרטים דקים מאוד של אנטי-פרואלקטריים ⎯ סוג של חומרים שנשארו לא נחקרו עד לאחרונה עקב חוסר גישה לגרסאות "מודל" של החומרים ולמבנה ותכונות המורכבות שלהם ⎯ שינו את צורתם בתגובה למתח והאם הם רגישים כמו כן להידוק.
ראשית, הם גידלו סרטים דקים של דגם החומר האנטי-פרואלקטרי PbZrO 3 עם שליטה זהירה מאוד בעובי החומר, האיכות והכיוון. לאחר מכן, הם ביצעו מערך של מדידות חשמליות ואלקטרו-מכאניות כדי לכמת את התגובות של הסרטים הדקים למתח חשמלי המופעל.
"מצאנו שהתגובה הייתה גדולה במידה ניכרת בסרטים הדקים של חומר אנטי-פרואלקטרי מאשר מה שהושג בגיאומטריות דומות של חומרים מסורתיים", אמר האו פאן, חוקר פוסט-דוקטורט בקבוצת המחקר של מרטין והמחבר הראשי של המחקר.
מדידת שינוי צורה בהיקפים קטנים כל כך לא הייתה הישג קל. למעשה, אופטימיזציה של מערך המדידה דרש כל כך הרבה עבודה שהחוקרים תיעדו את התהליך בפרסום נפרד.
"עם מערך המדידה המושלם, נוכל לקבל רזולוציה של שני פיקומטרים ⎯ שזה בערך אלפית ננומטר", אמר פאן. "אבל רק להראות שקרה שינוי צורה לא אומר שאנחנו מבינים מה קורה, אז היינו צריכים להסביר את זה. זה היה אחד המחקרים הראשונים שחשפו את המנגנונים מאחורי הביצועים הגבוהים הללו".
התבוננות בשינויים והשלכות מהותיים
בתמיכת משתפי הפעולה שלהם במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס, החוקרים השתמשו במיקרוסקופ אלקטרוני שידור חדיש כדי לצפות ב ננומטרי שינוי צורה של חומר עם רזולוציה אטומית בזמן אמת.
"במילים אחרות, צפינו בהפעלה האלקטרומכנית בזמן שהיא מתרחשת, כדי שנוכל לראות את המנגנון לשינויי הצורה הגדולים", אמר מרטין. "מה שמצאנו הוא שיש שינוי המושרה במתח חשמלי במבנה הגבישי של החומר, שהוא כמו יחידת הבניין הבסיסית או סוג יחיד של בלוק לגו שממנו בנוי החומר. במקרה הזה, גוש הלגו הזה נמתח בצורה הפיכה עם מתח חשמלי מופעל, מה שנותן לנו תגובה אלקטרומכנית גדולה".
באופן מפתיע, החוקרים מצאו שלא רק שההידוק אינו מפריע לביצועי החומר, אלא שהוא למעשה משפר אותם. יחד עם משתפי פעולה במעבדה הלאומית של לורנס ברקלי ובקולג' Dartmouth, הם יצרו מחדש את החומר באופן חישובי כדי לקבל תצוגה נוספת של האופן שבו ההידוק משפיע על ההפעלה תחת מתח חשמלי מופעל.
"התוצאות שלנו הן השיא של שנים של עבודה על חומרים קשורים, כולל פיתוח של טכניקות חדשות לחקור אותם", אמר מרטין. "על ידי הבנה כיצד לגרום לחומרים הדקים הללו לעבוד טוב יותר, אנו מקווים לאפשר פיתוח של מכשירים אלקטרו-מכניים קטנים וחזקים יותר או מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות (MEMS) ⎯ ואפילו מערכות ננו-אלקטרו-מכניות (NEMS) ⎯ שצורכות פחות אנרגיה ויכולות לעשות זאת. דברים שמעולם לא חשבנו שאפשריים לפני כן."
המחקר נתמך על ידי משרד האנרגיה האמריקאי (DE-AC02-05-CH11231, DE-SC-0012375), הצבא/ARL (W911NF-19-2-0119), משרד המחקר של הצבא (W911NF-21-1 -0118, W911NF-21-1-0126), מרכז SRC-JUMP ASCENT, משרד ההגנה (FA9550-18-1-0480), הקרן הלאומית למדע (1752814) והמרכז הלאומי למחשוב מדעי לחקר האנרגיה. התוכן של הודעה לעיתונות זו הוא באחריות הכותבים בלבד ואינו מייצג בהכרח את הדעות הרשמיות של הארגונים המממנים.
