Каков наилучший способ точной манипуляции свойствами материала до желаемого состояния? По словам группы исследователей из Университета штата Пенсильвания, это может быть деформация самих атомов материала. Группа обнаружила, что «распыление» атомов ниобата калия, материала, используемого в передовой электронике, может настраивать полученные тонкие пленки с точным контролем.

По словам исследователей, результаты исследования, опубликованные в журнале Advanced Materials , могут способствовать развитию экологически безопасных технологий в области бытовой электроники, медицинских приборов и квантовых вычислений.

Процесс, называемый настройкой деформации, изменяет свойства материала путем растяжения или сжатия его атомов. Исследователи используют молекулярно-лучевую эпитаксию (МЛЭ), технологию, которая включает осаждение слоя атомов на подложку для формирования тонкой пленки. В этом случае они создали тонкую пленку ниобата калия с настройкой деформации .

«Это был первый случай выращивания ниобата калия с использованием МЛЭ», — сказал Гопалан. «Технология похожа на распыление атомов на поверхность».

По словам исследователей, новая технология МЛЭ сама по себе создает напряжение, необходимое для настройки материала.

«Этот метод позволяет атомам в тонких пленках подстраиваться под структуру основного материала, вызывая деформацию», — говорит соавтор Санкальпа Хазра, докторант в области материаловедения и инженерии.

«Даже небольшое растяжение примерно в 1% может создать давление, которого невозможно было бы достичь, просто натягивая или надавливая на материал снаружи. Это давление может значительно улучшить работу материала с точки зрения сегнетоэлектрика».

Ниобат калия — это сегнетоэлектрик, или класс материалов с естественным электрическим зарядом, который можно изменить на противоположный с помощью внешнего электрического поля, подобно тому, как магниты имеют магнитное поле, которое можно менять полярность.

«Сегнетоэлектрики — это своего рода мини-батарейки, которые по своей природе уже постоянно заряжены», — говорит Венкатраман «Венкат» Гопалан, профессор материаловедения и инженерии в Университете штата Пенсильвания и один из авторов исследования.

«Несмотря на то, что это не общеизвестное название, сегнетоэлектрики присутствуют повсюду в ключевых технологиях, которые мы воспринимаем как должное в нашей повседневной жизни. Интернет, например, зависит от преобразования электрических сигналов в оптические, что выполняется сегнетоэлектрическим кристаллом. Эти материалы могут менять свою электрическую полярность при воздействии внешнего электрического поля, что также делает их жизненно важными для таких устройств, как ультразвуковое оборудование, инфракрасные камеры и прецизионные приводы для передовой техники».

Чтобы «распылить краску» на ниобат калия для исследования, Гопалан обратился к бывшему коллеге из Penn State Дарреллу Шлому, который в настоящее время является профессором Tisch University на кафедре материаловедения и инженерии в Корнеллском университете. Они вырастили тонкие пленки на платформе для ускоренной реализации, анализа и открытия интерфейсных материалов (PARADIM) — установке для выращивания тонких пленок, которой Шлом является соруководителем в Корнелле. Шлом отметил, что и он, и Гопалан работали в Penn State над первой в истории настройкой деформации сегнетоэлектрических материалов примерно 15 лет назад.

«Наша роль заключалась в том, чтобы помочь Венкату и Санкальпе реализовать этот материал, о котором Венкат мечтал десятилетиями», — сказал Шлом. «Венкат делал тонкие пленки этого материала во время своей докторской работы в Университете штата Пенсильвания, поэтому он знает, насколько сложно его вырастить. Для этой работы мой студент Тобиас Швайгерт и я помогли им вырастить этот материал».