研究人员实现铁电陶瓷中的机械原子压印

投稿时间:2021-05-30  消息来源:  提交者:古姿女郎

世界上的电瓷市场每年有250亿欧元的规模。这些非常小的元件在日常生活中甚至常常不被人察觉。仅仅一部智能手机就包含600个电容器,每年生产3万亿个。许多电瓷的运作方式不是基于流经材料的电流,而是基于原子直径几分之一的小电荷错位,称为极化。
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世界上生产的大约四分之一的电瓷将这种极化与材料的延伸相联系,而这种延伸又可以调整到一个原子直径的精度。只有这样,才能构造出越来越小的计算机部件和微型机器人。
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通过使用化学干预手段,将规则形状的晶格中的个别原子替换(赋予)其他原子,可以改善电动力学的特性--这有点像让一个身穿黑黄球衣的多特蒙德球迷坐在一个满是身穿红色上衣的拜仁慕尼黑俱乐部球迷的8运动场里。然而,在有特殊要求的地方,如更高的温度或电压,被赋予的原子会失去它的位置(会被推来推去),对电瓷的性能非常不利。

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单个原子在电瓷晶格中的安装对于复杂的要求来说是不够稳定的,但是整个原子系列的安装(位移)是稳健的。在足球场的例子中,这就相当于在拜仁的球迷中间变成了一排多特蒙德的球迷。达姆施塔特工业大学三个工作组的材料科学家正在与来自瑞士、荷兰和美国的研究小组合作研究这些置换工作。
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化学方法已经不能满足计划中的置换。相反,研究人员成功地以机械方式实现了位移。他们使用了一种工艺,在可控的压力和温度条件下对陶瓷进行机械变形,这样位移就可以印在陶瓷上了。像这样的方法对金属来说是小菜一碟,但由于陶瓷的巨大硬度,它基本上被认为是不可能的。另外,陶瓷的表面是非常脆的,很容易破碎。为了克服这些障碍,科学家们在1150摄氏度下对先前计算出的优化方向的单晶进行了机械压印。
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这种方法现在可以使新占领的原子行形成一个有序的场。这些系列控制着材料中的局部极化,即负载位错。由于印记系列明显限制了极化,即使在非常高的操作条件下,它也不会失去结构。在电动力学的操作中,现在由系列划定的材料区域(位移)承担了一定的电荷转移;继续用足球来比喻,就好像拜仁的球迷要向前或向侧面分段倾斜。由于这些材料区域在高条件下不发生变化,因此没有能量被内部摩擦转化,材料行为会继续保持稳定。
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现在,这些材料使得即使在温度升高和能源使用增加的情况下,也能确保性能稳定。同时,研究人员正在解决降低成本的问题,以通过机械压印的几种选择来提供位移的必要性。
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