Odkrili manjkajoči člen električne prevodnosti

Raziskovalci Instituta Jožef Stefan in Kemijskega inštituta so v reviji Nature Materials objavili rezultate raziskave, ki pojasnjuje lokalno električno prevodnost v obetavnem materialu.

čet, 08.12.2016, 09:00
Presevni elektronski mikroskop z atomsko ločljivostjo na KI je bil ključen za raziskavo mehanizma lokalne električne prevodnosti.

Znanstveniki Instituta Jožef Stefan (IJS) in Kemijskega inštituta (KI) so z raziskavo, pri kateri so uporabili najsodobnejši presevni elektronski mikroskop, prvi nedvoumno dokazali prisotnost točkastih defektov na domenskih stenah v feroelektričnem bizmutovem feritu BiFeO3.

Raziskovalci Instituta Jožef Stefan in Kemijskega inštituta (so tudi avtorji tega prispevka – opomba uredništva) so v sodelovanju s kolegoma iz Japonske in Švice, Naonorijem Sakamotom z Univerze Shizuoka in Draganom Damjanovićem z EPFL, razložili mehanizem električne prevodnosti domenskih sten v BiFeO3 in tako prispevali manjkajoči člen pri razlagi prevodnosti domenskih sten v feroelektrikih.

Bazične raziskave in razvoj novih materialov

V sodobnem svetu so materiali ključni za učinkovito delovanje elektronskih komponent in naprav. V mnogo primerih je prav razvoj novih materialov z izboljšanimi lastnostmi omogočil razvoj visokotehnoloških izdelkov in njihovo miniaturizacijo. Pri doseganju posameznih lastnosti materialov za visokotehnološke aplikacije je vse bolj pomembno poznavanje mehanizmov na atomski ravni, kar pomeni potrebo po vrhunskih bazičnih raziskavah.

Materiali s točno določenimi električnimi in elektromehanskimi lastnostmi so nujni za izdelavo senzorjev, aktuatorjev, ultrazvočnih pretvornikov in drugih elektronskih komponent. V primerjavi s sorodnimi materiali, ki trenutno prevladujejo na trgu, bizmutov ferit odlikujejo lastnosti, ki omogočajo njegovo uporabo pri višjih temperaturah, nad 200 °C, in s tem razširijo področje uporabe dosedanjih materialov. Pomembna lastnost tega materiala je lokalna električna prevodnost na kristalnih ploskvah, ki razmejujejo območja z različno usmerjenostjo spontanih električnih dipolov.

Ta območja, imenovana domene, nastanejo pri visokotemperaturni pripravi materiala kot posledica spontane spremembe kristalne strukture pri ohlajanju, ploskve, ki jih razmejujejo, imenujemo domenske stene. Odkritje prevodnosti domenskih sten je leta 2009 vzbudilo precejšnje zanimanje, predvsem zato, ker je bizmutov ferit v principu električni izolator (J. Seidel in soavtorji, Natural Materials 8, 2009). Hkrati je odkritje odprlo vrata povsem novim možnostim uporabe prevodnih domenskih sten v tako imenovani nanoelektroniki. Izkazalo se je, da je za doseganje želenih lastnosti pomembna lokalna struktura domenskih sten in posledično tudi njihova lokalna električna prevodnost.

Električna prevodnost domenskih sten bizmutovega ferita je bila doslej nerešeno vprašanje, ki so ga številne raziskovalne skupine po svetu poskušale pojasniti z raznimi pristopi, kot so modeliranje in indirektne meritve.

Mehanizem lokalne električne prevodnosti

Raziskovalci IJS in KI so z raziskavo, pri kateri so uporabili najsodobnejši presevni elektronski mikroskop, ugotovili, da so na domenskih stenah v bizmutovem feritu električno nabiti točkasti defekti, ki so vzrok lokalne električne prevodnosti. S sočasnim razvojem dveh analitskih mikroskopskih metod so ugotovili, da so ti točkasti naboji dveh vrst, in sicer elektronske luknje, povezane s prisotnostjo železovih ionov v 4+ oksidacijskem stanju, in vrzeli na bizmutovih mestih v kristalni rešetki.

Tako so prispevali manjkajoči člen k razlagi električne prevodnosti domenskih sten v feroelektričnih materialih. Nadalje so pokazali, da je lokalno prevodnost domenskih sten mogoče prilagajati s spreminjanjem atmosfere med visokotemperaturno pripravo materiala. Bazična raziskava, ki je vodila do razlage mehanizma lokalne prevodnosti, bo omogočila načrtovanje novih materialov na osnovi bizmutovega ferita, ki bodo izkazovali boljše lastnosti, povezane z dinamiko domenskih sten, in nadaljnji razvoj materialov s kontroliranimi lokalnimi lastnostmi za uporabo v nanoelektroniki.

Sodelovanje znanstvenikov in načrti za prihodnost

Znanstvena skupina, ki na obeh slovenskih raziskovalnih institucijah raziskuje in razvija nove materiale, je začela sodelovati pri raziskavah lokalne strukture domenskih sten pred približno dvema letoma, ko smo v Sloveniji dobili vrhunski presevni elektronski mikroskop z atomsko ločljivostjo. Mikroskop, ki omogoča določanje strukture, strukturnih napak in kemijsko analizo na atomski ravni, je bil ključen za raziskavo mehanizma lokalne električne prevodnosti.

Raziskave na področju znanosti o materialih, ki odkrivajo povezave med lokalno strukturo na atomski ravni in makroskopskimi lastnostmi, omogočajo hitrejši razvoj materialov z izboljšanimi lastnostmi in povečano funkcionalnostjo. Za tovrstne raziskave je seveda potrebna vrhunska raziskovalna oprema. Raziskava, ki je vodila do razlage mehanizma prevodnosti domenskih sten v bizmutovem feritu, je bila v celoti zasnovana in eksperimentalno izvedena na IJS in KI. Med raziskavo se je kot zelo učinkovito pokazalo sodelovanje strokovnjakov z različnih področij znanosti o materialih, kemije in fizike trdnega stanja.

Pot do objave vrhunskega znanstvenega dosežka je od izvedbe prvih eksperimentov trajala približno dve leti. Po letu raziskav, ki so vodile do razlage mehanizma lokalne električne prevodnosti v bizmutovem feritu, je sledilo še leto dni dokazovanja pravilnosti rezultatov recenzentom revije Nature Materials.

Razlaga mehanizma prevodnosti je prvi korak k razumevanju dinamike domenskih sten pod vplivom zunanjega električnega polja. To je pomembno za razumevanje materialov, ki pretvarjajo mehansko energijo v električno energijo in obratno (tako imenovani piezoelektrični materiali).

Skupina znanstvenikov z obeh raziskovalnih institucij bo zato v nadaljevanju raziskovala vpliv električnega polja na dinamiko domenskih sten, ki izkazujejo različne tipe prevodnosti zaradi prisotnosti točkastih defektov. Eksperimente bo izvajala z in situ metodami, ki jih omogoča elektronski mikroskop z atomsko ločljivostjo, v kombinaciji z meritvami piezoelektričnih lastnosti na makroskopski ravni.

Kaj pomeni objava v sedmi najvplivnejši reviji

Pomembnost raziskave se kaže z objavo v reviji Nature Materials, ki je ena najvplivnejših znanstvenih revij na svetu. Pomen posamezne znanstvene revije vrednotimo s faktorjem vpliva, ki poenostavljeno pomeni število citatov posameznega članka v preteklem dveletnem obdobju.

Običajne revije v naravoslovnih, tehničnih in medicinskih znanostih imajo faktor vpliva 1 do 3, boljše 5 do 10, odlične 10 do 20, najprestižnejše pa več kot 30. Faktor vpliva revije Nature Materials za leto 2015 je 38,89, kar jo po vplivnosti trenutno uvršča na sedmo mesto med vsemi znanstvenimi revijami. Prvih šest je s področij medicine in biotehnologije, kar pomeni, da je Nature Materials prva v svetu na področju znanosti o materialih (vir: Cobiss.si).

Rezultati raziskav, objavljeni v najprestižnejših znanstvenih revijah, so v svetu zelo cenjeni. Take objave nedvomno potrjujejo vrhunsko kvaliteto raziskav in vplivajo na svetovno prepoznavnost raziskovalcev, skupin in institucij, v katerih delujejo. Slednje se izraža tudi v povabilih k sodelovanju v mednarodnih raziskovalnih projektih, povabilih na najuglednejša svetovna znanstvena srečanja in podobno. S tovrstnimi objavami slovenska znanost utrjuje svojo prepoznavnost v svetu.

Prijavi sovražni govor