Super-tetragonal ferroelectric barium titanate through anionic overstoichiometry

Stel je een wereld voor waarin de piepkleine schakelaars in onze computers, telefoons en sensoren kleiner, sneller en energiezuiniger gemaakt kunnen worden. De materialen die dit mogelijk maken, zijn vaak kristallen die tussen twee toestanden kunnen springen door een elektrisch veld, wat fungeert als de geheugen- en logische poorten van moderne elektronica. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd deze materialen te verbeteren door ze uit te rekken, vergelijkbaar met het trekken aan een elastiekje, om hun gedrag te veranderen. Dit uitrekken, bekend als strain engineering, gebeurt meestal door een dunne laag materiaal te laten groeien op een ander kristal dat het dwingt een specifieke vorm aan te nemen. Echter, deze methode heeft strikte grenzen: het werkt slechts met een handvol specifieke kristaltypen, en als de film te dik wordt, veroorzaakt de spanning dat de film barst of ontspant, waardoor de speciale eigenschappen verloren gaan. De zoektocht naar een manier om deze beperkingen te doorbreken, heeft onderzoekers ertoe geleid om te zoeken naar nieuwe manieren om de zeer atomen waaruit deze kristallen zijn opgebouwd, te manipuleren.

Een team van onderzoekers heeft nu een manier gevonden om deze traditionele limieten te omzeilen door het recept voor het groeien van deze kristallen te veranderen, niet door ze uit te rekken, maar door extra ingrediënten op een zeer specifieke manier toe te voegen. Ze richtten zich op een klassiek materiaal genaamd bariumtitanaat, een kristal dat bekend staat om zijn vermogen om elektrische energie op te slaan en van toestand te wisselen. In plaats van te proberen het kristal uit te rekken met een substraat, groeiden ze het onder omstandigheden die ver verwijderd zijn van het normale evenwicht, met behulp van een techniek genaamd pulsed laser deposition. In dit proces bombardeert een hoogenergetische laser een doelmateriaal, waardoor een hete, snel bewegende wolk van atomen ontstaat die op een oppervlak landt om een film te vormen. Door de druk van zuurstofgas tijdens deze groei zorgvuldig te controleren, waren de onderzoekers in staat om extra zuurstofatomen op een manier in de kristalstructuur te dwingen die de natuur normaal gesproken niet zou toestaan.

Het resultaat was een nieuwe, ongewone fase van het materiaal die het team "super-tetragonal" noemt. In een normaal kristal zijn de atomen gerangschikt in een net, herhalend patroon. In deze nieuwe versie zijn de extra zuurstofatomen in de ruimtes tussen de reguliere atomen gepropt, waarbij ze paren vormen die fungeren als bruggen tussen de bouwstenen van het kristal. Deze injectie van extra zuurstof zorgde ervoor dat het kristal verticaal uitrekte, waardoor het aanzienlijk hoger en dunner werd dan zijn normale vorm. De onderzoekers maten deze verandering en ontdekten dat de hoogte van het kristal met bijna zes procent toenam ten opande van de standaardversie, een niveau van vervorming dat onmogelijk te bereiken is met traditionele rekmethoden. Deze nieuwe structuur is niet alleen een uitgerekte versie van de oude; het is een fundamenteel andere rangschikking van atomen die stabiel blijft, zelfs zonder de hulp van een speciaal substraat.

Om precies te begrijpen wat er binnenin het kristal gebeurde, bekeken de wetenschappers nauwlettend de chemische verbindingen. Ze ontdekten dat de extra zuurstofatomen er niet simpelweg als lege plekken of ontbrekende stukjes zaten, wat een veelvoorkomend defect is in deze materialen. In plaats daarvan vormden ze paren met naburige zuurstofatomen om peroxidebindingen te creëren. Dit is een specifieke chemische verbinding waarbij twee zuurstofatomen aan elkaar plakken, wat een brug creëert die het omliggende kristalrooster uiteendrijft. De onderzoekers bevestigden dit door de films te verhitten tot hoge temperaturen. Wanneer zij dit deden, verlieten de extra zuurstofatomen de structuur, braken de peroxidebindingen en kromp het kristal terug naar zijn normale, standaardvorm. Dit experiment bewees dat de unieke, uitgerekte toestand volledig afhankelijk was van de aanwezigheid van dat extra zuurstof, en dat het materiaal tussen de twee vormen heen en weer geschakeld kon worden.

Het nieuwe super-tetragonale materiaal bleek niet alleen een structurele curiositeit te zijn, maar ook een superieure performer voor elektronische toepassingen. Wanneer de onderzoekers testten hoe goed het zijn elektrische toestand kon wisselen, ontdekten ze dat het een sterkere elektrische lading vasthield dan het standaardmateriaal. Het vereiste ook minder energie om aan en uit te schakelen en vertoonde veel betere weerstand tegen slijtage in de loop van de tijd. In tests waarbij het materiaal miljarden keren werd geschakeld, vertoonde de nieuwe versie geen tekenen van vermoeidheid, terwijl de standaardversie veel eerder begon te falen. Misschien nog verrassender was dat het materiaal minder elektrische stroom lekte, wat betekent dat het zijn lading effectiever kon vasthouden zonder energie te verspillen.

De manier waarop dit nieuwe materiaal van toestand wisselt, onthulde een andere laag van complexiteit. De onderzoekers observeerden dat het schakelproces in twee afzonderlijke stappen plaatsvindt. Eén deel van de schakeling is permanent en stabiel, en gedraagt zich als het geheugen in een standaard computerchip. Het andere deel is tijdelijk en vervaagt in de loop van de tijd, en gedraagt zich meer als een vloeistof die langzaam tot rust komt. Deze combinatie suggereert dat de beweging van de extra zuurstofatomen een rol speelt in hoe het materiaal informatie onthoudt, een gedrag dat vergelijkbaar is met wat bij andere geavanceerde materialen is gezien, maar nu wordt aangetroffen in deze zuurstofrijke vorm van bariumtitanaat.

Dit werk opent een nieuwe weg voor het ontwerpen van materialen. In plaats van beperkt te zijn tot de weinige kristallen die beschikbaar zijn om een film uit te rekken, kunnen wetenschappers nu de zuurstofinhoud zelf beschouwen als een instrument om nieuwe fasen met unieke eigenschappen te creëren. Door simpelweg de zuurstofdruk tijdens de groei aan te passen, is het mogelijk om materialen te ontwerpen die sterker, efficiënter en duurzamer zijn. De bevindingen suggereren dat deze aanpak kan worden toegepast op veel andere complexe kristallen, wat potentieel een breed scala aan nieuwe gedragingen kan ontsluiten voor toekomstige elektronica, van betere geheugenapparaten tot efficiëntere sensoren, alles door de kunst van het toevoegen van precies de juiste hoeveelheid extra zuurstof te beheersen.