Forscher machten kürzlich einen weiteren Fortschritt bei antiferroelektrische Materialien und ebnen auf diesem Weg die Entwicklung noch besserer Geräte.
Elektrogeräte werden seit einigen Jahren immer kleiner. Denn Ingenieure und Wissenschaftler bauen inzwischen elektrische Bauteile im Miniaturbereich und demonstrieren dabei immer neue Rekorde. Dabei spielen die gewählten Materialien eine entscheidende Rolle.
Forscher der Rice University und der UC Berkeley stießen in diesem Zusammenhang kürzlich auf eine neue Entdeckung. Sie wiesen nach, dass miniaturisierte antiferroelektrische Materialien, insbesondere Blei-Zirkonat, eine deutlich höhere elektromechanische Reaktion im Vergleich zu herkömmlichen piezoelektrischen Materialien aufweisen.
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Diese Entdeckung könnte zur Entwicklung effizienterer und leistungsstärkerer miniaturisierter elektronischer Geräte führen. Denn solche Materialien wandeln elektrische Spannung, die die Basis vieler moderner Geräte bildet, problemlos um.
Antiferroelektrische Materialien sind nur 100 Nanometer dick
Antiferroelektrische Materialien, wie das Modellmaterial Blei-Zirkonat, zeigen eine elektromechanische Reaktion, die bis zu fünfmal größer ist als die herkömmlicher piezoelektrischer Materialien. Das trifft selbst auf Filme zu, die lediglich 100 Nanometer dick sind. Die Studie zeigt, dass diese Materialien bei winzigen Abmessungen viel besser funktionieren, da das sogenannte „Clamping“ sie nicht beeinträchtigt.
Dieses Phänomen tritt auf, wenn Materialien auf Miniatur-Ebene ihre Leistung verlieren, weil das Substrat diese hemmt. Mithilfe eines hochmodernen Transmissions-Elektronenmikroskops konnten die Forscher die nanoskalige Formveränderung des Materials in Echtzeit beobachten.
Es zeigte sich, dass die Kristallstruktur des Materials durch angelegte elektrische Spannung gestreckt wird, was eine große elektromechanische Reaktion hervorruft. Überraschenderweise verstärkt das Clamping in diesem Fall sogar die Materialleistung.
Effizientere und leistungsfähigere Geräte als mögliche Folge
Die Forschung könnte die Entwicklung kleinerer und leistungsstärkerer elektromechanischer Geräte wie Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) und Nanoelektromechanische Systeme (NEMS) ermöglichen. Diese Geräte könnten weniger Energie verbrauchen und Funktionen erfüllen, die bisher als unmöglich galten.
Die Entdeckung ist das Ergebnis jahrelanger Arbeit an verwandten Materialien und der Entwicklung neuer Techniken zu deren Untersuchung. Die jetzt vorgestellten Forschungsergebnisse haben das Potenzial die Elektronik der nächsten Generation zu beeinflussen und den Weg für innovative Technologien zu ebnen. Effizientere und leistungsfähiger Alltagsgeräte wären eine mögliche Konsequenz.
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