Oblikovanje funkcionalnosti feroelektrikov brez svinca in inženiringom domenskih sten
Oznaka in naziv projekta
J2-2497 Oblikovanje funkcionalnosti feroelektrikov brez svinca in inženiringom domenskih sten
J2-2497 Designing functionality of lead-free ferroelectrics through domain wall engineering
Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: prof. dr. Andreja Benčan Golob
Sodelujoče raziskovalne organizacije: Povezava na SICRIS
Sestava projektne skupine: Povezava na SICRIS
Vsebinski opis projekta
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.
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani. Povezava na SICRIS.
Faze projekta in opis njihove realizacije
Projekt bo poleg delovnega sklopa, namenjenega vodenju in diseminaciji, organiziran v tri medsebojno povezane delovne sklope.
1. Faza: Inženiring materialov preko domenskih sten (Sinteza , priprava izbranih materialov)
2. Faza: Struktura domenske stene (Informacija o strukturi pri določenih zunanjih pogojih)
3. Faza: Dinamika domenske stene (Mobilnost domenske stene pod električnim poljem ali temperaturo)
CILJ 1: Oblikovanje materialov na osnovi (K,Na)NbO3 (KNN) na podlagi velikosti in gostote domenskih sten (DS) Stopnja uresničitve: 80% Hipoteza prvega dela projekta je bila, da je mobilnost DS v materialih na osnovi KNN, ki vpliva na celokupni elektromehanskih odziv, odvisna od tipa, morfologije in števila DS. Eden izmed ciljev je bil razumeti vpliv različnih dejavnikov na mobilnost domen, domenskih sten. Hipotezo smo potrdili, ugotovili smo, da so različni tipi domen, DS različno mobilni, da se domene lahko med seboj ovirajo, da domene pri zunanji napetosti rastejo, delno tudi na novo nukleirajo in s tem sproščajo notranje lokalne napetosti v materialu. Poleg objave izsledkov v reviji Applied Physics Letters smo rezultate predstavili tako na rednih predavanj kot na vabljenih predavanjih na mednarodnih konferencah.
CILJ 2: Oblikovanje domenskih sten (DS) v materialih na osnovi BiFeO3 (BFO) preko spreminjanja vrste in količine defektov Stopnja uresničitve: 100% Hipoteza tega dela projekta je, da morfologija sten, točkovni strukturni defekti, ki se kopičijo na stenah, vplivajo na mobilnost DS in s tem na celokupni odziv. Defekti, ki se kopičijo na DS vplivajo na lokalno strukturo DS ter na lokalne napetosti. Na primeru BFO smo študirali statične in dinamične lastnosti DS do atomske ravni. Lokalna struktura, napetosti na DS je odvisna od tipa napak, ki segregirajo na DS, vse skupaj pa vpliva na mobilnost DS in posledično na makroskopski odziv feroelektrikov. Pokazali smo, da se na stopničastih 109o DS kopičijo vakance na mestih bizmuta. V primeru »cik-cak« 180o DS pa se kopičijo tako kisikove kot bizmutove vakance. Elektronskih točkastih defektov na DS nismo dokazali, posledično so vse DS v BFO (tako v keramiki kot v monokristalu) neprevodne. Z in situ STEM raziskavo pod električnim poljem smo pokazali, da lahko z zunanjim poljem vplivamo na lokalne napetostih DS kot tudi na prerazporeditev naboja na DS in mobilnost defektov. Poleg objave izsledkov v revijah Nano letters in Journal of Applied Physics smo rezultate predstavili tako na rednih predavanj kot na vabljenih predavanjih na mednarodnih konferencah.
Bibliografske reference
BENČAN, Andreja, OVEISI, Emad, HASHEMIZADEH, Sina, VEERAPANDIYAN, Vignaswaran K., HOSHINA, Takuya, ROJAC, Tadej, DELUCA, Marco, DRAŽIĆ, Goran, DAMJANOVIĆ, Dragan. Atomic scale symmetry and polar nanoclusters in the paraelectric phase of ferroelectric materials. Nature communications. 2021, vol. 12, no. 1, str. 3509-1-3509-9. https://www.nature.com/articles/s41467-021-23600-3, DOI: 10.1038/s41467-021-23600-3. [COBISS.SI-ID 65810179]
CONDURACHE, Oana, DRAŽIĆ, Goran, SAKAMOTO, Naonori, ROJAC, Tadej, BENČAN, Andreja. Atomically resolved structure of step-like uncharged and charged domain walls in polycrystalline BiFeO3. Journal of applied physics. 2021, vol. 129, iss. 5, str. 1-8. https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0034699, DOI: 10.1063/5.0034699. [COBISS.SI-ID 49236995]
- CONDURACHE, Oana, DRAŽIĆ, Goran, ROJAC, Tadej, URŠIČ NEMEVŠEK, Hana, DKHIL, Brahim, BRADEŠKO, Andraž, DAMJANOVIĆ, Dragan, BENČAN, Andreja. Atomic-level response of the domain walls in bismuth ferrite in a subcoercive-field regime. Nano letters. Jan. 2023, vol. 23, iss. 2, str. 750-756 [COBISS.SI-ID 133050115]
CONDURACHE, Oana, DRAŽIĆ, Goran, BENČAN, Andreja. Voltage-driven ferroelectric domain dynamics in (K,Na)NbO3 investigated by in situ transmission electron microscopy. Applied physics letters, 15 May 2023, vol. 122, iss. 20, 202902, str. 202902-1-202902-7 [COBISS.SI-ID 152240643]