Evolución de la estructura del dominio ferroeléctrico de heteroestructuras de Nanbo3/Srtio3 (001) con un grosor de película variable. Crédito: Nature Communications (2025). Doi: 10.1038/s41467-025-63041-W
Los investigadores han demostrado una nueva técnica para controlar con precisión los límites de fase en materiales de películas delgadas manipulando el grosor de esas películas, lo que les permite diseñar materiales de almacenamiento de energía que no dependen de elementos tóxicos. En las pruebas de prueba de concepto para la nueva técnica, los investigadores encontraron que una película delgada no tóxica tiene propiedades dieléctricas extremadamente prometedoras, lo que aumenta la posibilidad de crear nuevas tecnologías de condensadores que no dependen de materiales tóxicos.
El mismo material puede tener más de una estructura cristalina, y los límites de fase son las áreas en el material donde esas estructuras cristalinas esencialmente coexisten a medida que el material se transforma de una estructura cristalina dominante a otra. Estos límites de fase son importantes porque pueden mejorar las características específicas del material.
“Por ejemplo, los ingenieros usan técnicas de química para controlar la distribución de los límites de fase en algunos materiales para mejorarlos en el cargo de almacenamiento”, dice Ruijuan Xu, autor correspondiente de un artículo sobre la nueva técnica y profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Estatal de Carolina del Norte.
“Sin embargo, muchos de estos materiales utilizan elementos tóxicos, como el plomo. Y ha sido extremadamente difícil manipular los límites de fase de los materiales de película delgada no tóxica con características comparables porque hacen uso de elementos volátiles, como el sodio.
“Ahora hemos desarrollado una técnica que nos permite controlar la distribución de los límites de fase en estas películas delgadas no tóxicas sin usar técnicas químicas”, dice Xu. “Específicamente, hemos encontrado que controlar la tensión física en un material tiene un profundo efecto sobre la distribución de los límites de fase dentro de ese material. Y podemos controlar la cantidad de tensión al variar el grosor de la película delgada: cuanto más delgada es la película, más tensión se encuentra el material”.
Los investigadores demostraron la nueva técnica utilizando niobato de sodio (Nanbo3), que es un miembro final químicamente simple de la familia Niobato de Potasio Sodio (KNN), una clase de materiales sin plomo que son prometedores para usar en aplicaciones ferroeléctricas. Sin embargo, la investigación sobre películas delgadas de Nanbo3 ha sido limitada porque el sodio es muy volátil, lo que dificulta diseñar los límites de fase del material utilizando técnicas de química tradicionales.
Fase estructural y evolución de la topografía de heteroestructuras de Nanbo3/Srtio3 (001) con un grosor de película variable. Crédito: Nature Communications (2025). Doi: 10.1038/s41467-025-63041-W
En las pruebas de prueba de concepto para su técnica basada en la tensión, los investigadores sintetizaron películas delgadas de nanbo3 cristalinas epitaxiales que utilizan deposición láser pulsada, controlando con precisión el grosor de la película. Descubrieron que existe una relación lineal entre el grosor de la película delgada y la distribución de dos fases o estructuras cristalinas, MB y MC, en las películas delgadas Nanbo3. Cuanto más delgada sea la película, más MC domina.
“Esencialmente, puedes controlar cuánto MB versus MC tienes en el material”, dice Xu. “Y las cantidades relativas de MB y MC interactúan de manera compleja que influyen en los límites de fase en la película delgada”.
En las pruebas, los investigadores se sorprendieron al descubrir que la película delgada Nanbo3 tiene atractivas propiedades dieléctricas.
“Descubrimos que podríamos diseñar las películas delgadas de Nanbo3 para que su permitividad dieléctrica, o la cantidad de carga que puedan almacenar, es comparable o mejor que la permitividad dieléctrica de las mejores películas delgadas basadas en plomo”, dice Xu. “Esto es extremadamente prometedor para la ingeniería de nuevas tecnologías de condensadores.
“También descubrimos que podríamos controlar hasta qué punto las propiedades dieléctricas del material son sintonizables”, dice Xu. “La sintonización se refiere a la capacidad de controlar cuánta carga las tiendas de material aplicando un campo eléctrico al material. Esta propiedad es crítica para aplicaciones como las tecnologías de comunicación”.
Los investigadores también señalan que, si bien la nueva técnica se demostró utilizando Nanbo3, también podría usarse para una variedad de otras películas delgadas.
“Estamos particularmente interesados en usar la técnica para estudiar una amplia gama de otros sistemas sin plomo, como la familia KNN, para explorar su potencial para aplicaciones dieléctricas y ferroeléctricas sin plomo de próxima generación”, dice Xu.
El documento, “límite de fase morfotrópica sin plomo inducido por la tensión”, es publicado En la revista Nature Communications. El primer autor del artículo es Reza Ghanbari, un Ph.D. Estudiante en NC State. Otros coautores estatales de NC incluyen investigadores postdoctorales Huimin Qiao y Yoji Nabei; Nina Balke, profesora asociada de ciencia e ingeniería de materiales; y Dali Sun, profesora asociada de física.
Las características físicas, químicas y eléctricas del material se determinaron utilizando una combinación de técnicas amplias. Se realizaron simulaciones por computadora con los coautores Kinnary Patel, Sergey Prosandeev y Laurent Bellaiche en la Universidad de Arkansas. Electron Ptychography se realizó con los coautores Harikrishnan KP y David Muller de la Universidad de Cornell. La difracción de rayos X sincrotrón se realizó con los coautores Hua Zhou, Tao Zhou, Rui Liu y Martin Holt, del Laboratorio Nacional de Argonne, con contribuciones de Young-Hoon Kim y Miaofang Chi en el Laboratorio Nacional Oak Ridge.
La sintonización del Nanbo3 se evaluó con el apoyo de los coautores Liyan Wu, John Carroll, Cedric Meyers y Jonathan Spanier de la Universidad de Drexel. La difracción de rayos X de origen laboratorio y la espectroscopía de fotoelectrones de rayos X se realizaron con el apoyo de los coautores Aarushi Khandelwal, Kevin J. Crust, Jiayue Wang y Harold Y. Hwang de la Universidad de Stanford. Se realizaron mediciones de polarimetría de la segunda generación armónica con los coautores Sankalpa Hazra y Venkatraman Gopalan de la Universidad Penn State.
Más información: Reza Ghanbari et al, límite de fase morfotrópica sin plomo inducida por cepa, comunicaciones de la naturaleza (2025). Doi: 10.1038/s41467-025-63041-W
Proporcionado por la Universidad Estatal de Carolina del Norte
Cita: El nuevo enfoque de las películas delgadas es prometedora para el almacenamiento de energía no tóxico (2025, 21 de agosto) Recuperado el 21 de agosto de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-08-pacroach-thin-toxic-energy-stege.html
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