처음으로 밝혀진 독특한 강유전성 미세구조
날짜:
2022년 9월 9일
원천:
펜 스테이트
요약:
연구팀은 인간이 사용하기에 더 안전한 전자, 센서 및 에너지 저장을 위한 무연 압전 재료의 개발을 가능하게 하는 새로운 강유전체 재료의 독특한 미세 구조를 처음으로 관찰하고 보고했습니다.
인간이 사용하기에 더 안전한 전자, 센서 및 에너지 저장을 위한 무연 압전 재료의 개발을 가능하게 하는 새로운 강유전체 재료의 독특한 미세 구조를 처음으로 관찰하고 보고했습니다. 이 작업은 Penn State의 Alem Group과 Rutgers University 및 University of California, Merced의 연구팀과 협력하여 주도했습니다.
강유전체는 외부 전하가 가해질 때 자발적인 전기 분극을 나타내는 물질 종류입니다. 이것은 재료의 양전하와 음전하가 다른 극으로 향할 때 자발적인 전기 분극을 유발합니다. 이 재료는 또한 압전 특성을 가지고 있는데, 이는 재료가 적용된 기계적 힘에 따라 전하를 생성한다는 것을 의미합니다.
이를 통해 이러한 재료는 열, 움직임 또는 낭비될 수 있는 소음과 같은 에너지에서 전기를 만들 수 있습니다. 따라서 폐열에서 에너지를 수확하는 것과 같은 탄소 기반 에너지의 대안에 대한 잠재력을 보유하고 있습니다. 또한, 강유전체 재료는 추가 전력 없이 한 극성 상태를 유지할 수 있어 데이터 저장 및 메모리에 특히 유용하므로 에너지 절약 데이터 저장 및 전자 제품에 매력적입니다. 또한 스위치, 심박수 모니터 및 초음파와 같은 중요한 의료 기기, 에너지 저장 장치 및 액추에이터와 같은 유익한 응용 분야에도 널리 사용됩니다.
그러나 가장 강한 압전 재료는 납을 함유하고 있는데, 이는 납이 사람과 동물에게 유독하기 때문에 주요 문제입니다.
"우리는 현재 재료의 단점이 없는 압전 재료를 설계하고 싶습니다."라고 Penn State 재료 과학 및 공학 부교수이자 이 연구의 교신 저자인 Nasim Alem이 말했습니다. "그리고 현재 이 모든 물질의 납은 납이 위험하기 때문에 큰 단점입니다. 우리의 연구가 더 나은 압전 시스템에 적합한 후보가 되기를 바랍니다."
이러한 강력한 압전 특성을 갖는 무연 재료에 대한 경로를 개발하기 위해 연구팀은 칼슘 망간산염인 Ca3Mn2O7(CMO)을 사용했습니다. CMO는 몇 가지 흥미로운 특성을 가진 새로운 하이브리드 부적절한 강유전성 재료입니다.
"이 물질의 설계 원리는 물질의 작은 산소 팔면체의 움직임을 결합하는 것입니다."라고 Nature Communications 의 연구 제1저자이자 재료 과학 박사 후보자인 Leixin Miao가 말했습니다 . "재료에는 기울어지고 회전할 수 있는 산소 원자의 팔면체가 있습니다. '하이브리드 부적절한 강유전체'라는 용어는 팔면체의 회전과 기울기를 결합하여 강유전체를 생성한다는 것을 의미합니다. 그것은 '하이브리드'로 간주됩니다. "강유전성을 위한 극성을 생성하는 팔면체의 두 가지 움직임의 조합. 극성이 2차 효과로 생성되기 때문에 '부적절한' 강유전체로 간주됩니다."
CMO의 미세구조에는 연구자에게 미스테리인 독특한 특성도 있습니다.
"실온에서 결정에 상온에서 공존하는 극성 및 비극성 상이 있습니다."라고 Miao는 말했습니다. "그리고 공존하는 상은 음의 열팽창 거동과 상관관계가 있는 것으로 믿어집니다. 일반적으로 재료가 가열되면 팽창하지만 이 재료는 수축한다는 것은 잘 알려져 있습니다. 흥미롭긴 하지만 구조에 대해 아는 것이 거의 없습니다. 극성 및 비극성 위상이 공존합니다."
이것을 더 잘 이해하기 위해 연구원들은 원자 규모의 투과 전자 현미경을 사용했습니다.
"전자현미경을 사용하는 이유는 전자현미경으로 원자 규모의 프로브를 사용하여 구조의 정확한 원자 배열을 볼 수 있기 때문입니다."라고 Miao가 말했습니다. "그리고 CMO 결정에서 이중 이중층 극성 나노영역을 관찰하는 것은 매우 놀라운 일이었습니다. 우리가 아는 한, 이러한 미세구조가 적층된 페로브스카이트 재료에서 직접 이미지화된 것은 처음입니다."
이전에는 이러한 강유전성 상전이를 거치는 물질에 어떤 일이 일어나는지 관찰되지 않았다고 연구진은 밝혔습니다. 그러나 전자현미경으로 그들은 물질과 상전이 동안 일어나는 일을 모니터링할 수 있었다.
"우리는 물질, 상전이 동안 무슨 일이 일어나는지 모니터링하고 어떤 유형의 결합이 있는지, 어떤 유형의 구조적 왜곡이 물질에 있는지, 그리고 그것이 함수에 따라 어떻게 변할 수 있는지 원자 단위로 조사할 수 있었습니다. 온도"라고 Alem은 말했습니다. "그리고 이것은 사람들이 이 물질에 대해 가지고 있는 관찰 중 일부를 매우 많이 설명하고 있습니다. 예를 들어 열팽창 계수를 얻을 때 이것이 어디에서 왔는지 아무도 모릅니다. 기본적으로 이것은 원자 수준으로 내려가는 것이었습니다. 기본 원자 규모의 물리학, 화학 및 상전이의 역학, 어떻게 변화하는지 이해합니다."
이것은 차례로 무연의 강력한 압전 재료의 개발을 가능하게 할 것입니다.
"과학자들은 많은 유익한 응용을 위한 무연 강유전성 물질을 발견하기 위한 새로운 경로를 찾으려고 노력해 왔습니다."라고 Miao가 말했습니다. "극성 나노영역의 존재는 압전 특성에 도움이 되는 것으로 간주되며, 이제 우리는 결함 엔지니어링을 통해 초음파 또는 액추에이터 애플리케이션을 위한 모든 납 함유 물질을 궁극적으로 대체할 새로운 강력한 압전 결정을 설계할 수 있음을 보여주었습니다."
이러한 이전에 볼 수 없었던 물질의 과정을 밝혀낸 특성화 작업은 밀레니엄 과학단지 내 물질연구소 시설에서 진행됐다. 여기에는 이전에 볼 수 없었던 것을 볼 수 있게 하는 다중 투과 전자 현미경(TEM) 실험이 포함되었습니다.
이 연구의 또 다른 이점은 연구팀이 EASY-STEM으로 개발한 무료 소프트웨어로 TEM 이미지 데이터 처리를 더 쉽게 할 수 있다는 것입니다. 이것은 잠재적으로 과학적 연구를 발전시키고 실제 적용에 필요한 시간을 단축할 수 있습니다.
"이 소프트웨어에는 사용자가 마우스 클릭으로 입력할 수 있는 그래픽 사용자 인터페이스가 있으므로 사람들이 코딩 전문가일 필요는 없지만 여전히 놀라운 분석을 생성할 수 있습니다."라고 Miao가 말했습니다.
출처 : https://www.sciencedaily.com/