Projekti / Programi
OBLIKOVANJE FUNKCIONALNOSTI FEROELEKTRIKOV BREZ SVINCA Z INŽENIRINGOM DOMENSKIH STEN
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.01 |
Tehnika |
Materiali |
Anorganski nekovinski materiali |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
feroelektriki brez svinca, domenska stena, struktura, mikroskopija
Raziskovalci (12)
Organizacije (2)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0106 |
Institut "Jožef Stefan" |
Ljubljana |
5051606000 |
90.724 |
| 2. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
20.996 |
Povzetek
Feroelektriki so, kot podskupina piezoelektričnih materialov, zelo pomembni v elektronski, avtomobilski in drugi industriji, zaradi česar so vredni milijarde dolarjev letno. Prevladujoči feroelektrični materiali temeljijo na svinčevem zirkonijevem titanatu - PZT. Ti materiali vsebujejo svinec, ki je zaradi svoje posebne elektronske konfiguracije odgovoren za dobre feroelektrične lastnosti materialov. Vendar pa toksičnost svinca predstavlja pri pridobivanju, proizvodnji in odstranjevanju izdelkov pomemben ekološki problem in se zato raziskujejo materiali brez svinca, ki bi nadomestili materiale na osnovi PZT. Ker primernih alternativnih materialov še ni, zakonodaja EU glede uporabe nevarnih snovi do leta 2021 dovoljuje uporabo svinca v feroelektričnih napravah. Vendar, ko bomo našli zadovoljive alternative za PZT se bodo te izjeme odpravile (Bell, Deubzer, MRS Bull. 43, 2018). Do sedaj so se kot najbolj primerne izkazale kemijsko modificirane sestave na osnovi (K,Na)NbO3, BaTiO3, (Na,Bi)TiO3 in BiFeO3. Raziskave, ki večinoma temeljijo na empiričnih pristopih, pri iskanju novih materialov brez svinca niso popolnoma uspešne. Zato v projektu predlagamo oblikovanje funkcionalnosti feroelektrikov brez svinca s prilagajanjem lokalnih, strukturnih lastnosti na nanometrskem nivoju, na t.i. domenskih stenah (DS), katere ključno vplivajo na makroskopske odzive feroelektričnih materialov. DS so vmesne površine, ki v feroelektričnih materialih ločujejo dve področji z enotno polarizacijo. Tvorijo se vzdolž različnih kristalografskih smeri, so različno dolge, na njih se lahko kopičijo ionske ali elektronske točkovne napake, vse to pa vpliva na nukleacijo in mobilnost DS. Vendar je tipična debelina DS od 1 nm do 10 nm, kar pomeni, da lahko podrobno strukturo DS eksperimentalno preučujemo samo z analitskimi metodami z atomsko resolucijo. Poleg tega omogočajo le najnovejše in-situ raziskave elektronske mikroskopije neposredno opazovanje dinamičnih odzivov DS na atomskem nivoju v odvisnosti od zunanjih pogojev, kot so električno polje ali temperatura. Zato so strukturne podrobnosti DS na nano in atomski ravni, zlasti v povezavi z njihovo mobilnostjo pod vplivom električnega polja, nejasne. Slednje ovira temeljno razumevanje vpliva DS na makroskopske feroelektrične lastnosti in s tem na inženiring feroelektričnih materialov brez svinca. V predlaganem projektu bomo to vrzel zapolnili. V projektu predlagamo oblikovanje funkcionalnosti materialov na osnovi (K,Na)NbO3 (KNN), pomembnih za uporabo v medicini, in materialov na osnovi BiFeO3 (BFO), ki so pomembni za aplikacije pri visokih temperaturah, preko inženiringa domenskih sten s podporo računanj energijskih stanj (ab initio) ter z uporabo naprednih in inovativnih analitskih metod do atomske ravni. Cilji projekta so: (i) oblikovanje DS v materialih na osnovi KNN in BFO z nadzorovanjem tipa in koncentracije defektov z različnimi pogoji obdelave materiala (temperatura, atmosfera, hitrost ohlajevanja in dopanti), (ii) določitev defektov, ki vplivajo na mobilnost DS s spreminjanjem temperature in/ali električnega polja in (iii) iskanje materiala brez svinca z izboljšanimi lastnostmi preko vpliva strukturnih značilnosti in lokalne dinamike DW na makroskopski odziv materiala. Projekt temelji na naši nedavni študiji, objavljeni v Nature Materials (Rojac, Bencan et al., Nat. Mat. 16, 2017), kjer smo ugotovili, da se na DS elektronski defekti kopičijo, vplivajo na njeno lokalno prevodnost in posledično na makroskopski odziv BFO. Projekt je razdeljen na tri medsebojno odvisne delovne sklope: i) Inženiring materialov preko DS, ii) karakterizacija DS, podprta z ab-initio strukturnimi izračuni in iii) študij dinamike DS. Oprema za izvedbo projekta je na voljo na Institutu Jožef Stefan in na Kemijskem inštitutu, ki v projektu sodeluje kot partner.
