Em um estudo recente publicado em Natureza Nanotecnologiapesquisadores da Universidade de Rice examinaram o comportamento de materiais ferroelétricos relaxantes, que são amplamente utilizados em sensores, atuadores e nanoeletrônica Devido às suas propriedades de conversão de energia. Os resultados indicam que, quando esses materiais são reduzidos a filmes finos em uma escala comparável às suas estruturas de polarização interna, suas propriedades fundamentais podem mudar de maneiras inesperadas.
O estudo concentrou-se no titanato líder de niobato de magnésio de chumbo (PMN-PT), um materials cerâmico amplamente utilizado encontrado em sensores de gás, sistemas de colheita de energia e aplicações de imagem médica, como o ultrassom.
Ao investigar como a estrutura de polarização interna das mudanças de PMN-PT em escalas extremamente pequenas, os pesquisadores observaram um efeito inesperado: o materials exibiu um desempenho aprimorado antes de perder suas propriedades únicas. Este “ponto splendid” anteriormente desconhecido poderia informar o desenvolvimento de dispositivos nanoeletrônicos de próxima geração.
O PMN-PT é um relaxador ferroelétrico conhecido por sua capacidade de converter energia com eficiência. Quando uma tensão externa é aplicada, o materials muda de forma e, quando submetido a pressão mecânica, gera uma tensão. Sua estrutura atômica consiste em átomos positivos e negativos que podem mudar em relação um ao outro, formando dipolos locais.
Esses dipolos não se alinham uniformemente através do materials. Em vez disso, eles são influenciados pelas forças concorrentes – uma que promove a orientação aleatória e outra que incentiva o alinhamento. Esta competição leva à formação de nanodomínios polares, aglomerados microscópicos nos quais dipolos se alinham em uma direção comum.
Essas estruturas de polarização auto-montadas dentro do materials são altamente responsivas a estímulos externos devido à complexidade química do materials e ao tamanho dessas regiões na menor, os nanodomínios PMN-PT são apenas 5-10 nm. Ninguém realmente sabia o que aconteceria se encolhemos todo o materials em seu tamanho.
Jieun Kim, Professor Assistente e Primeiro Autor do Estudo, Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia
Compreender o comportamento materials nas dimensões em nanoescala é basic para o avanço da eletrônica miniaturizada e as tecnologias relacionadas. À medida que os dispositivos continuam diminuindo, filmes ultrafinos de materiais como PMN-PT se tornam cada vez mais necessários. No entanto, de acordo com Kim, um estudo abrangente da física que governa os relaxadores nessas escalas extremamente pequenas “nunca foi feita antes”.
Nossa hipótese foi de que, à medida que os filmes PMN-PT ficam mais magros, seus nanodomínios polares encolheriam e acabariam desaparecendo junto com as propriedades desejáveis do materials. A pesquisa confirmou essa expectativa, mas também encontramos algo inesperado.
Lane Martin, Robert A. Welch Professor, Ciência dos Materiais e Nanoengenharia, Universidade de Rice
Lane Martin é o diretor do Rice Superior Supplies Institute.
Em vez de se degradar imediatamente, o PMN-PT exibiu um desempenho melhorado quando reduzido a uma espessura específica de 25 a 30 nm, aproximadamente 10.000 vezes mais fina que os cabelos humanos. Nessa escala, a estabilidade da fase do materials – sua capacidade de manter a estrutura e a função em condições variadas – foi significativamente aprimorada.
Para descobrir esse comportamento, os pesquisadores usaram ferramentas científicas avançadas. Os raios de raios X Ultrabright na fonte avançada de fótons do Laboratório Nacional de Argonne permitiram que eles examinassem a estrutura atômica do materials. Uma técnica chamada difração de raios-X baseada em síncrotron permitiu rastrear como os nanodomínios evoluíram à medida que o materials se tornou mais fino.
Correlacionamos esses achados com medições de propriedades dielétricas que realizamos em nosso laboratório e completamos a imagem usando microscopia eletrônica de transmissão de varredura para mapear a polarização com resolução no nível do átomo. Para os filmes mais finos, também realizamos simulações de dinâmicas moleculares basicamente recriando os filmes finos em um computador para estudar a evolução estrutural dos nanodomínios polares.
Jieun Kim, Professor Assistente e Primeiro Autor do Estudo, Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia
Kim começou o projeto há quatro anos como estudante de doutorado sob Martin na Universidade da Califórnia, Berkeley.
Esses métodos forneceram a análise mais detalhada do comportamento em nanoescala do PMN-PT até o momento. Ao contrário de muitos materiais que perdem a funcionalidade quando reduzidos em tamanho, o PMN-PT exibiu um efeito “zona de ouro”, onde suas propriedades melhoraram antes de se deteriorar.
Essa descoberta pode permitir aplicações avançadas em magnetoelétricas de baixa tensão, conversão de energia piroelétrica, capacitiva armazenamento de energia (potência pulsada) e sistemas nanoeletromecânicos.
Em seguida, os pesquisadores planejam explorar as camadas ultrafinas de empilhamento de PMN-PT com materiais relacionados, criando estruturas projetadas semelhantes a uma “pilha de panquecas” de camadas funcionais. Esses materiais podem levar a inovações em sensores de próxima geração, computação de baixa potência e colheita de energia.
““Agora sabemos que poderíamos fazer dispositivos menores e melhores”Kim disse.
O estudo foi financiado pelo Escritório de Pesquisa do Exército, pelo Escritório de Pesquisa Naval, Fundação Nacional de Ciências Naturais da China, Associação de Promoção de Inovação da Juventude da Academia Chinesa de Ciências, Laboratório de Pesquisa do Exército, Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea e A Superior Photon Supply, um escritório de usuários do Departamento de Energia dos EUA operado pelo Argonne Nationwide Laboratory.
Referência do diário:
Kim, J., et al. (2025) Evolução da fase acionada por tamanho em filmes relaxadores ultrafinos. Nanotecnologia da natureza. doi.org/10.1038/s41565-025-01863-x.