Page name: ARRSProjekti / 2020 / Oblikovanje funkcionalnosti feroelektrikov brez svinca in inženiringom domenskih sten

Oblikovanje funkcionalnosti feroelektrikov brez svinca in inženiringom domenskih sten

Nazaj na seznam za leto 2020


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

© Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije

Projektna skupina

Vodja projekta: prof. dr. Andreja Benčan Golob

Sodelujoči raziskovalni organizaciji:

Institut Jožef Stefan (Odsek za elektronsko keramiko, Odsek za nanostrukturne materiale)

Kemijski inštitut (Odsek za kemijo materialov)

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 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)

Bibliografske reference


Nazaj na seznam projektov po letih