Vpliv dislokacij induciranih s hladnim sintranjem na feroelektrično polarizacijo

Zmanjšanje stroškov energije pri izdelavi novih in vse bolj zahtevanih funkcionalnih materialov za učinkovito napajanje sodobne elektronske opreme je ena glavnih skrbi znanstvenikov. Tukaj želimo uporabiti nov postopek hladnega sintranja za izdelavo novih feroelektričnih materialov, povezanih z energijo, s spremenjenimi funkcionalnostmi. Glavni cilj našega projekta je izkoristiti mehanizme, na katerih temelji ta nizkotemperaturna (< 300 °C) tehnika, ob pomoči tlaka in raztopin, za oblikovanje intrinzičnih defektov, dislokacij in drugih napak, kjer se naboj in deformacija v kristalni mreži kopičita, za prilagajanje funkcionalnih odzivov feroelektrikov. Raziskali bomo celoten potencial oblikovanja napredne feroelektrične keramike z odtisom dislokacij s hladnim sintranjem, torej nanostrukturami novih materialov, ki jih je težko doseči z 'normalnimi' postopki sintranja zaradi medsebojne difuzije in visoke mobilnosti defektov, ki povzročajo bistveno drugačne lastnosti. Poleg tega standardno sintranje zahteva visokotemperaturno obdelavo (nad 1000 °C) in ima številne pomanjkljivosti, npr. visoko porabo energije in potencialno izhlapevanje škodljivih elementov; torej negativen vpliv na okolje, pretirana rast zrn, raztapljanje defektov itd. Naše trenutno znanje o hladnem sintranju feroelektrične keramike nakazuje proces tlačnega raztapljanja kot gonilno silo za hladno sintranje – tu uporabljamo mešanice hidroksidov, ki se talijo do 300 °C in preplavijo delce. S pomočjo enoosnega tlaka (do 600 MPa) se delci začnejo raztapljati na stikih in pritisk jih sili skupaj. Proces sintranja je končan, ko so zrna povezana in zacementirana in je tekočina iztisnjena ali ujeta v matrico. Zgostitev in stiki med zrni so močno zaznamovani s procesom raztapljanja pod tlakom, pri čemer nastanejo stiloliti ali nazobčane površine z vtisnjenimi zrni, številni defekti v obliki robnih ali vijačnih dislokacij in drsnih ploskev so zamrznjeni, številne zaprte pore nm-velikosti, kot tudi mreže odprtih kanalov, zaceljene razpoke, označujejo edinstvenost postopka hladnega sintranja. Vzorci so videti temni, kar kaže na zmanjšana stanja ionov in/ali vrzeli kisika. Vse omenjene mikrostrukturne lastnosti in povzročeni defekti različnih dimenzij močno vplivajo na velikost, obliko, pripenjanje in gibanje domenskih sten, ki so značilnost feroelektrikov, in tako prinašajo edinstvene funkcionalnosti, ki jih želimo raziskati tukaj. Tako želimo i) razumeti, kako lahko prilagodimo proces sintranja za nadzorovano spreminjanje stanj napak v materialih; ii) preučevati defekte, zlasti dislokacije, na atomski ravni, tj. porazdelitev nabojev in napetosti v njihovi bližini ter njihove interakcije z domenskimi stenami, kar je ključno za razumevanje in prilagajanje elektromehanskih odzivov. Izvajali bomo tehniko 4D elektronske mikroskopije z detektorjem visoke ločljivosti, ki ponuja edinstven zajem slike, ki omogoča zaznavanje premikov v elektronskih gostotah, razumevanje lokalne porazdelitve polarizacije; iii) preučevati povezave med analiziranimi in prilagojenimi defekti in funkcionalnimi lastnostmi z električno prevodnostjo in dielektričnimi izgubami v različnih atmosferah ter meritvami polarizacije in napetosti v električnem polju. To nam bo povedalo veliko o naravi defektov in o tem, kako jih prilagoditi za ciljne feroelektrične aplikacije, zlasti v zvezi z elektromehansko pretvorbo energije in shranjevanjem energije.