MỸ – Vật liệu sắt điện được sử dụng trong camera hồng ngoại, máy siêu âm y tế, bộ nhớ máy tính và các bộ truyền động, có khả năng biến đổi tính chất điện thành tính chất cơ học và ngược lại. Tuy nhiên, hầu hết các vật liệu thiết yếu này đều chứa chì và do đó có thể gây độc hại.

Ông Laurent Bellaiche, Giáo sư vật lý danh dự tại đại học Arkansas (University of Arkansas), cho biết đã có một sáng kiến ​​toàn cầu trong 10 năm qua nhằm tìm kiếm các vật liệu sắt điện không chứa chì.

Các nguyên tử trong vật liệu sắt điện có thể có nhiều hơn một cấu trúc tinh thể (crystalline structure). Nơi hai cấu trúc tinh thể gặp nhau được gọi là ranh giới pha (phase boundary), và các tính chất làm cho vật liệu sắt điện trở nên hữu ích, thường mạnh nhất tại các ranh giới này.

Bằng các quy trình hóa học, các nhà khoa học đã điều chỉnh ranh giới pha của vật liệu sắt điện chứa chì để tạo ra các thiết bị có hiệu suất cao hơn và kích thước nhỏ hơn. Tuy nhiên, việc điều chỉnh bằng phương pháp hóa học các ranh giới pha của vật liệu sắt điện không chứa chì, vẫn còn nhiều vấn đề.

Nghiên cứu mới từ một nhóm bao gồm Giáo sư Bellaiche và các nhà khoa học vật lý Kinnary Patel và Sergey Prosandeev đến từ đại học Arkansas, đã tìm ra cách để tăng cường hiệu năng của vật liệu sắt điện không chứa chì bằng cách sử dụng ứng suất (*), hay lực cơ học, thay vì quá trình hóa học. Khám phá này có thể tạo ra các linh kiện sắt điện không chứa chì, mở ra những khả năng mới cho các thiết bị và cảm biến có thể cấy ghép vào người.
(*) Ứng suất (strain): trong vật liệu là khái niệm mô tả sự biến dạng của vật thể khi chịu tác động của lực cơ học, ví dụ như kéo, nén, uốn hoặc xoắn. Khi một lực bên ngoài tác động lên vật liệu, khoảng cách và vị trí tương đối giữa các nguyên tử trong cấu trúc tinh thể sẽ thay đổi, dẫn đến sự biến dạng ở cấp độ vi mô, và vĩ mô.

Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.

Vật liệu sắt điện là gì?
Vật liệu sắt điện, được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1920, có độ phân cực điện tự nhiên có thể bị đảo ngược khi chịu tác động bởi điện trường. Độ phân cực này vẫn giữ nguyên trạng thái đảo ngược ngay cả khi điện trường đã biến mất.

Vật liệu này là chất điện môi (dielectric), nghĩa là chúng có thể bị phân cực khi có điện trường tác dụng. Điều này khiến chúng có hiệu quả cao trong tụ điện.

Vật liệu sắt điện còn có tính chất áp điện, nghĩa là chúng có thể tạo ra các đặc tính điện khi phản ứng với năng lượng cơ học và ngược lại. Đặc tính này có thể được ứng dụng trong thiết bị sonar (phát và thu sóng âm thanh dưới nước), cảm biến cháy (phát hiện sự thay đổi nhiệt độ hoặc áp suất), loa nhỏ trong điện thoại di động, hoặc bộ truyền động giúp định hình chính xác các ký tự trong máy in phun.

Tất cả các đặc tính hữu ích này đều có thể được tăng cường bằng cách điều chỉnh ranh giới pha của vật liệu sắt điện.

Nhà khoa học vật lý Kinnary Patel chia sẻ: “Trong vật liệu sắt điện chứa chì, chẳng hạn như chì titanat zirconat, người ta có thể điều chỉnh thành phần về mặt hóa học để đạt được chính xác ranh giới pha”.

Tuy nhiên, vật liệu sắt điện không chứa chì lại chứa các kim loại kiềm có tính bay hơi cao, có thể chuyển thành dạng khí và bay hơi khi được điều chỉnh bằng phương pháp hóa học.

Phương pháp tiếp cận mới
Các nhà nghiên cứu đã tạo ra một màng mỏng của vật liệu sắt điện không chứa chì là natri niobate (NaNbO3). Vật liệu này được biết đến là có cấu trúc tinh thể trạng thái cơ bản phức tạp ở nhiệt độ phòng, và có tính linh hoạt. Các nhà khoa học từ lâu đã biết rằng việc thay đổi nhiệt độ của natri niobate có thể tạo ra nhiều pha, hay nhiều cách sắp xếp nguyên tử khác nhau.

Thay vì sử dụng quá trình hóa học hoặc thay đổi nhiệt độ, các nhà nghiên cứu đã thay đổi cấu trúc của các nguyên tử trong natri niobat bằng cách gây biến dạng (sử dụng lực cơ học để kéo căng hoặc nén vật liệu).

Các nhà nghiên cứu đã tạo ra một lớp màng mỏng natri niobat trên một chất nền. Cấu trúc của các nguyên tử trong natri niobat sẽ co lại và giãn ra khi chúng cố gắng khớp với cấu trúc nguyên tử của chất nền. Quá trình này tạo ra ứng suất (biến dạng) lên natri niobat.

Giáo sư Bellaiche đã nói rằng: “Điều khá đáng chú ý với natri niobat là nếu bạn thay đổi một chút chiều dài, các pha sẽ thay đổi rất nhiều”.

Điều làm các nhà nghiên cứu ngạc nhiên là biến dạng đã khiến natri niobat có ba pha khác nhau cùng một lúc, điều này tối ưu hóa các đặc tính sắt điện hữu ích của vật liệu bằng cách tạo ra nhiều ranh giới hơn.

Giáo sư Bellaiche nói tiếp: “Thành thật mà nói, điều tôi mong đợi là nếu chúng ta thay đổi biến dạng, nó sẽ chuyển từ pha này sang pha khác. Nhưng không phải ba pha cùng một lúc. Đây là một khám phá quan trọng”.

Các thí nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ phòng. Bước tiếp theo sẽ là xem liệu natri niobat có phản ứng tương tự với biến dạng ở nhiệt độ khắc nghiệt dao động từ -270 đến 1.000 độ C hay không.

Để xem các tin bài khác về “Vật liệu sắt điện”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online