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Cientistas determinaram as propriedades de um material em forma de filme fino que usa uma voltagem para produzir uma mudança de forma e vice-versa. Sua descoberta faz a ponte entre a compreensão em nanoescala e microescala, abrindo novas possibilidades para tecnologias futuras.
Em tecnologias eletrônicas, as principais propriedades dos materiais mudam em resposta a estímulos como voltagem ou corrente. Os cientistas buscam entender essas mudanças em termos da estrutura do material na nanoescala (alguns átomos) e na microescala (a espessura de um pedaço de papel). Muitas vezes negligenciado é o reino entre, a mesoescala — abrangendo 10 bilionésimos a 1 milionésimo de metro.
Cientistas do Argonne National Laboratory do Departamento de Energia dos EUA (DOE), em colaboração com a Rice University e o Lawrence Berkeley National Laboratory do DOE, fizeram avanços significativos na compreensão das propriedades de mesoescala de um material ferroelétrico sob um campo elétrico. Essa descoberta tem potencial para avanços em memória de computador, lasers para instrumentos científicos e sensores para medições ultraprecisas.
O material ferroelétrico é um óxido contendo uma mistura complexa de chumbo, magnésio, nióbio e titânio. Cientistas se referem a esse material como um ferroelétrico relaxor. Ele é caracterizado por pequenos pares de cargas positivas e negativas, ou dipolos, que se agrupam em aglomerados chamados “nanodomínios polares”. Sob um campo elétrico, esses dipolos se alinham na mesma direção, fazendo com que o material mude de forma ou se estique. Da mesma forma, aplicar uma tensão pode alterar a direção do dipolo, criando um campo elétrico.
“Se você analisa um material na nanoescala, você só aprende sobre a estrutura atômica média dentro de uma região ultrapequena”, disse Yue Cao, um físico de Argonne. “Mas os materiais não são necessariamente uniformes e não respondem da mesma forma a um campo elétrico em todas as partes. É aqui que a mesoescala pode pintar um quadro mais completo, unindo a nanoescala à microescala.”
Um dispositivo totalmente funcional baseado em um relaxor ferroelétrico foi produzido pelo grupo do professor Lane Martin na Rice University para testar o material sob condições operacionais. Seu principal componente é uma película fina (55 nanômetros) do relaxor ferroelétrico intercalada entre camadas em nanoescala que servem como eletrodos para aplicar uma voltagem e gerar um campo elétrico.
Usando linhas de luz nos setores 26-ID e 33-ID da Advanced Photon Source (APS) de Argonne, os membros da equipe de Argonne mapearam as estruturas de mesoescala dentro do relaxor. A chave para o sucesso deste experimento foi uma capacidade especializada chamada nanodifração de raios X coerente, disponível através da Hard X-ray Nanoprobe (Beamline 26-ID) operada pelo Center for Nanoscale Materials em Argonne e pela APS. Ambas são instalações de usuários do DOE Office of Science.
Os resultados mostraram que, sob um campo elétrico, os nanodomínios se automontam em estruturas de mesoescala consistindo de dipolos que se alinham em um padrão complexo semelhante a um ladrilho (veja a imagem). A equipe identificou os locais de tensão ao longo das bordas desse padrão e as regiões que respondem mais fortemente ao campo elétrico.
“Essas estruturas submicroescala representam uma nova forma de automontagem de nanodomínios não conhecida anteriormente”, observou John Mitchell, um Argonne Distinguished Fellow. “Surpreendentemente, conseguimos rastrear sua origem até os movimentos atômicos subjacentes em nanoescala; é fantástico!”
“Nossos insights sobre as estruturas de mesoescala fornecem uma nova abordagem para o design de dispositivos eletromecânicos menores que funcionam de maneiras antes consideradas impossíveis”, disse Martin.
“Os feixes de raios X mais brilhantes e coerentes agora possíveis com a atualização recente do APS nos permitirão continuar a melhorar nosso dispositivo”, disse Hao Zheng, o principal autor da pesquisa e cientista de linha de luz no APS. “Podemos então avaliar se o dispositivo tem aplicação para microeletrônica de eficiência energética, como computação neuromórfica modelada no cérebro humano.” A microeletrônica de baixa potência é essencial para atender às crescentes demandas de energia de dispositivos eletrônicos ao redor do mundo, incluindo celulares, computadores de mesa e supercomputadores.
Esta pesquisa é relatada em Ciência. Além de Cao, Martin, Mitchell e Zheng, os autores incluem Tao Zhou, Dina Sheyfer, Jieun Kim, Jiyeob Kim, Travis Frazer, Zhonghou Cai, Martin Holt e Zhan Zhang.
O financiamento para a pesquisa veio do Escritório de Ciências Básicas de Energia do DOE e da Fundação Nacional de Ciências.
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