Η νέα οικογένεια σιδηροηλεκτρικών υλικών αυξάνει τις δυνατότητες για βελτιωμένη αποθήκευση πληροφοριών και ενέργειας

Μια νέα ομάδα υλικών που θα μπορούσε να βελτιώσει την ψηφιακή αποθήκευση πληροφοριών και να χρησιμοποιήσει λιγότερη ενέργεια μπορεί να είναι δυνατή χάρη σε μια ομάδα ερευνητών του Penn State που απέδειξαν σιδηροηλεκτρική ενέργεια σε υποκατεστημένο με μαγνήσιο οξείδιο ψευδαργύρου.

Τα σιδηροηλεκτρικά υλικά πολώνονται αυθόρμητα επειδή τα αρνητικά και θετικά φορτία στο υλικό τείνουν προς αντίθετες πλευρές και με την εφαρμογή εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου ανακατευθύνει. Μπορούν να επηρεαστούν από τη φυσική δύναμη, γι ‘αυτό είναι χρήσιμα για τους αναφλεκτήρες πίεσης, όπως εκείνους στις σχάρες αερίου. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για αποθήκευση δεδομένων και μνήμης, καθώς παραμένουν σε μία πολωμένη κατάσταση χωρίς πρόσθετη ισχύ καθώς και λύσεις ψηφιακής αποθήκευσης χαμηλής ισχύος.

“Εντοπίσαμε μια νέα οικογένεια υλικών με τα οποία μπορούμε να φτιάξουμε μικρούς πυκνωτές και μπορούμε να προσαρμόσουμε την κατεύθυνση της πόλωσης έτσι ώστε το φορτίο της επιφάνειάς τους να είναι είτε συν είτε μείον”, δήλωσε ο John Paul Maria, καθηγητής επιστήμης και μηχανικής υλικών στο Penn State Το και συν-συγγραφέας του άρθρου που δημοσιεύτηκε στο Εφημερίδα της Εφαρμοσμένης ΦυσικήςΤο “Αυτή η ρύθμιση είναι μη πτητική, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούμε να θέσουμε τον πυκνωτή σε θετικό και παραμένει θετικό, μπορούμε να τον θέσουμε σε αρνητικό και παραμένει αρνητικό. Και μετά μπορούμε να επιστρέψουμε και να επεξεργαστούμε πώς ρυθμίζουμε αυτόν τον πυκνωτή, πες, πριν από μία ώρα ».

Αυτή η δυνατότητα θα μπορούσε να επιτρέψει μια μορφή ψηφιακής αποθήκευσης που δεν χρησιμοποιεί τόσο πολύ ηλεκτρική ενέργεια όσο άλλες μορφές.

“Αυτό το είδος αποθήκευσης δεν απαιτεί επιπλέον ενέργεια”, είπε η Μαρία. «Και αυτό είναι σημαντικό γιατί πολλές από τις μνήμες υπολογιστών που χρησιμοποιούμε σήμερα απαιτούν επιπλέον ηλεκτρική ενέργεια για τη διατήρηση πληροφοριών και χρησιμοποιούμε μεγάλο μέρος του ενεργειακού προϋπολογισμού των ΗΠΑ για πληροφορίες».

Το νέο υλικό είναι κατασκευασμένο από εναλλακτικό μαγνήσιο οξείδιο του ψευδαργύρου λεπτές μεμβράνες. Η μεμβράνη αναπτύχθηκε με εναπόθεση με σπρέι, μια διαδικασία κατά την οποία τα ιόντα αργού επιταχύνονται προς τα υλικά -στόχους, επηρεάζοντάς τα με μια ενέργεια αρκετά υψηλή για να διασπάσει τα ελεύθερα άτομα -στόχους που περιέχουν μαγνήσιο και ψευδάργυρο. Τα απελευθερωμένα άτομα μαγνησίου και ψευδαργύρου ταξιδεύουν σε φάση ατμού μέχρι να αντιδράσουν με οξυγόνο και να συγκεντρωθούν σε ένα υπόστρωμα οξειδίου του αργιλίου επικαλυμμένο με πλατίνα, σχηματίζοντας τις λεπτές μεμβράνες.

Οι ερευνητές μελέτησαν οξείδιο ψευδαργύρου υποκατεστημένο με μαγνήσιο ως τρόπο αύξησης της ζώνης του οξειδίου του ψευδαργύρου, μια θεμελιώδη φυσική ιδιότητα σημαντική για τη δημιουργία ημιαγωγών. Ωστόσο, τα υλικά δεν εξερευνήθηκαν ποτέ για σιδηροηλεκτρισμό. Ωστόσο, οι ερευνητές πίστευαν ότι το υλικό θα μπορούσε να συντεθεί σιδηροηλεκτρικά, με βάση την ιδέα της «πανταχού παρούσας σιδηροηλεκτρικής ενέργειας» που υποτίθεται από τη Μαρία και τη Suzanne Trollier-McKinstry, καθηγήτρια του Πανεπιστημίου Evan Pogue και τον καθηγητή Steward S., συγγραφέα στο χαρτί.

“Σε γενικές γραμμές, η σιδηροηλεκτρισμός εμφανίζεται συχνά σε ορυκτά που είναι πολύπλοκα ως προς τη σύνθεση και τη χημεία”, είπε η Μαρία. Η ομάδα μας πρότεινε την ιδέα πριν από περίπου δύο χρόνια, ότι υπάρχουν άλλοι, απλούστεροι κρύσταλλοι με τους οποίους μπορούμε να προσδιορίσουμε αυτό το χρήσιμο φαινόμενο, καθώς υπήρχαν κάποιες ενδείξεις που μας έκαναν να προτείνουμε αυτή τη δυνατότητα. Το να λέμε ότι «τα ηλεκτρονικά είναι πανταχού παρόντα» είναι λίγο παιχνίδι με λέξεις , Αλλά ενσωματώνει την ιδέα ότι υπάρχουν υλικά γύρω μας που μας δίνουν συμβουλές και αγνοούμε αυτές τις υποδείξεις τόσο καιρό ».

Η ερευνητική καριέρα του Trolier-McKinstry επικεντρώθηκε στα σιδηροηλεκτρικά, συμπεριλαμβανομένης της αναζήτησης του καλύτερου σιδηροηλεκτρικά υλικά Με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Σημείωσε ότι το Πανεπιστήμιο του Κιέλου στη Γερμανία βρήκε για πρώτη φορά αυτόν τον εκπληκτικό τύπο υδροηλεκτρικού υλικού το 2019 σε νιτρίδια, αλλά εκείνη και η Μαρία έδειξαν παρόμοια συμπεριφορά στο οξείδιο.

Μέρος της διαδικασίας που ακολούθησε η ομάδα Trolier-McKinstry και Maria είναι η ανάπτυξη του αριθμού αξίας, μιας ποσότητας που χρησιμοποιείται σε επιστήμες όπως η αναλυτική χημεία και η έρευνα υλικών που χαρακτηρίζει την απόδοση μιας συσκευής, ουσίας ή μεθόδου σε σχέση με τις εναλλακτικές λύσεις.

“Όταν εξετάζουμε οποιαδήποτε υλική εφαρμογή, συχνά καταλήγουμε σε έναν αριθμό αξίας που δηλώνει το σύνολο των ιδιοτήτων υλικού που χρειαζόμαστε για κάθε δεδομένη εφαρμογή για να είναι όσο το δυνατόν πιο αποτελεσματικό”, δήλωσε ο Trolier-McKinstry. “Και αυτή η νέα οικογένεια σιδηροηλεκτρικών υλικών, μας δίνει εντελώς νέες δυνατότητες για αυτούς τους αριθμούς αξίας. Είναι πολύ ελκυστικό για εφαρμογές για τις οποίες ιστορικά δεν είχαμε εξαιρετικούς συνδυασμούς υλικών, οπότε αυτό το είδος νέας ανάπτυξης υλικών τείνει να ξεκλειδώσει νέες εφαρμογές. ”

Ένα επιπλέον πλεονέκτημα των λεπτών υμενίων υποκατεστημένου με μαγνήσιο οξειδίου του ψευδαργύρου είναι το πόσο συχνά μπορούν να εναποτίθενται χαμηλές θερμοκρασίες άλλων σιδηροηλεκτρικών υλικών.

“Η συντριπτική πλειοψηφία των ηλεκτρονικών υλικών παρασκευάζεται με τη βοήθεια υψηλών θερμοκρασιών και οι υψηλές θερμοκρασίες σημαίνουν μεταξύ 300 και 1.000 βαθμών Κελσίου (572 έως 1.835 βαθμούς Φαρενάιτ)”, δήλωσε η Μαρία. “Όταν φτιάχνετε υλικά σε υψηλές θερμοκρασίες, έρχεται με πολλές δυσκολίες. Τείνουν να είναι μηχανικές δυσκολίες, αλλά παρόλα αυτά κάνουν τα πάντα πιο δύσκολα. Λάβετε υπόψη ότι κάθε πυκνωτής χρειάζεται δύο ηλεκτρικές επαφές – αν ρυθμίσετε το σιδηροηλεκτρικό στρώμα σε βαθμούς Υψηλή θερμότητα σε τουλάχιστον μία από αυτές τις επαφές, κάποια στιγμή θα συμβεί μια ανεπιθύμητη χημική αντίδραση. Έτσι, όταν μπορείτε να φτιάξετε πράγματα σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, μπορείτε να τα συνδυάσετε πιο εύκολα. ”

Το επόμενο βήμα για τα νέα υλικά είναι η μετατροπή τους σε πυκνωτές πάχους περίπου 10 νανομέτρων και 20 έως 30 νανομέτρων σε πλευρικές διαστάσεις, μια δύσκολη μηχανική πρόκληση. Οι ερευνητές πρέπει να βρουν έναν τρόπο να ελέγξουν την ανάπτυξη των υλικών έτσι ώστε να μην υπάρχουν προβλήματα όπως ελαττώματα στα υλικά. Η Trollier-McKinstry είπε ότι η επίλυση αυτών των προβλημάτων θα είναι το κλειδί για να διαπιστωθεί εάν το υλικό είναι βιώσιμο σε νέες τεχνολογίες-κινητά τηλέφωνα με τσιπ που χρησιμοποιούν πολύ λιγότερη ενέργεια, επιτρέποντας τη συνεχή λειτουργία για μια εβδομάδα ή περισσότερο.

Κατά την ανάπτυξη νέο υλικόΠρέπει να καταλάβετε πώς αποτυγχάνουν και στη συνέχεια να καταλάβετε πώς να μετριάσετε αυτούς τους μηχανισμούς αποτυχίας, είπε ο Trolier-McKinstry. “Και για κάθε εφαρμογή, πρέπει να αποφασίσετε ποιες είναι οι βασικές ιδιότητες και πώς θα εξελιχθούν με την πάροδο του χρόνου. Και μέχρι να κάνετε κάποιες μετρήσεις γύρω από αυτό, δεν ξέρετε ποιες θα είναι οι μεγάλες προκλήσεις, Η αξιοπιστία και η παραγωγική ικανότητα είναι τεράστια όσον αφορά το αν αυτά τα υλικά θα καταλήξουν στο κινητό σας τηλέφωνο. Μέσα σε πέντε χρόνια ».