Smjer polarizacije unutar određenog polarnog skupa stabilan je na vremenskoj skali mjerenja od deset do sto sekundi, što je suprotno prethodnim predviđanjima
Andreja Benčan Golob istražuje feroelektrične materijale koji su sposobni pretvoriti električnu energiju u mehaničku energiju i obrnuto. Ona većinu vremena posvećuje se strukturnim istraživanjima pomoću probirne elektronske mikroskopije feroelektričnih materijala.
Većina nas vjerojatno se nije susrela s pojmom feroelektrici, ali ti su materijali svuda oko nas, na primjer u pametnim telefonima i medicinskim ultrazvučnim uređajima. Proučava ih prof. dr. Andreja Benčan Golob s Zavoda za elektronsku keramiku Instituta “Jožef Stefan”, koja je dobila Zoisovu nagradu za svoj rad u elektronskoj mikroskopiji ekološki prihvatljivih feroelektrika.
Njezin rad doprinosi smanjenju upotrebe olova štetnog za okoliš u feroelektričnim materijalima. Elektronskim mikroskopom istražuje strukturu ovih materijala na atomskom nivou, što omogućava bolje razumijevanje njihovih svojstava i veću efikasnost uređaja koji imaju instalirane te materijale.
Bila je sretna što je primila nagradu i zahvalna je na njoj. “Svoju zahvalnost mogu podijeliti u dva dijela, prvo, što sam dobio toliko godina da radim s izvrsnim istraživačima u sjajnoj grupi, i drugo, što je odbor prepoznao moj rad kao dobar. Naravno, bez podrške moje uže i šire obitelji, moj istraživački put ne bi bio moguć”, rekla je u intervjuu.
Ako je materijal simetričan, nije feroelektričan
- Što su zapravo feroelektrici i gdje se koriste?
Feroelektrični materijali su podskup piezoelektričnih materijala. Riječ piezo dolazi iz grčkog i znači stisnuti. Karakterizira ih sposobnost pretvaranja električne energije u mehaničku energiju i obrnuto. Takvi materijali nemaju središte simetrije; Ako je materijal simetričan, nije feroelektričan.
S gledišta strukture, to znači da kada se materijal komprimira i deformira, atomi se pomiču iz svojih položaja, uzrokujući stvaranje dipola, takozvanu spontanu polarizaciju. To se mijenja u kristalnoj strukturi pod utjecajem vanjskog električnog polja. Odgovor nije linearan, što je povezano s učinkom histereze. Njihovu polarizaciju mijenja električno polje, što je karakteristično za feroelektricitet.
Osnova je za širok raspon tehnologija, uključujući senzore, aktuatore i medicinske uređaje poput ultrazvuka. Najveća industrijska upotreba feroelektričnih materijala je u višeslojnim keramičkim kondenzatorima, posebno u pametnim telefonima i računalima. Također se mogu koristiti kao uređaji za pohranu podataka. Feroelektrici se mogu zagrijati ili ohladiti pod utjecajem električnog polja, pa ih kolege koriste kao kalorije, na primjer, za krugove hlađenja.
Bizmut ferit (BiFeO3)
- Ovi materijali mogu biti prirodni, ali za spomenutu upotrebu vjerojatno su umjetno sintetizirani?
– Naravno, feroelektrični materijali koje istražujemo i koristimo u industriji proizvode se u laboratorijima. Vrlo je važno kako su napravljeni. Mogu se izrađivati kao keramika, odnosno u materijalu ima mnogo zrna, mogu biti monokristali, mogu biti vrlo tanki ili deblji slojevi. Razvoj feroelektrika odvija se u nekoliko faza, od procesa sinteze, proizvodnje samog materijala i na kraju primjene. Sve se to nadopunjuje.
Prošle su 104 godine od otkrića feroelektriciteta, kada je student na Sveučilištu u Minnesoti prvi put eksperimentalno demonstrirao feroelektricitet na soli Rochelle. Od 1945. godine poznat je PZT materijal koji je razvijen za upotrebu u podvodnim sonarima. Zbog svojih iznimnih svojstava jedan je od najkorisnijih materijala, ali sadrži olovo i stoga je štetan za ljude i okoliš, posebno kada se korišteni materijali bacaju. Zato od 2000. godine tražimo njegovu zamjenu diljem svijeta.
Istraživanja se provode u dva smjera: s jedne strane, istraživači žele pristupiti svojstvima PZT-a složenim sastavima, a s druge strane istražuju materijale za koje se zna da se u određenim svojstvima ne mogu natjecati s PZT-om, ali će u drugima biti bolji. Naše istraživanje spada u ovaj drugi skup. Takav primjer je bizmut ferit (BiFeO3), koji je koristan u uređajima koji rade na višim temperaturama, gdje PZT nije prikladan, npr. ultrazvučni senzor mehaničkih oštećenja na radnim parnim cijevima.
Defekti se nakupljaju na mjestima atoma i elektrona
- Prije mnogo godina, vaša je grupa bila prva koja je demonstrirala “prisutnost točkastih defekata na zidovima domene u bizmut feritu”, objašnjavajući “mehanizam p-tipa električne vodljivosti zidova domene i pokazujući da se lokalna vodljivost zidova domene može podesiti promjenom atmosfere tijekom pripreme materijala na visokoj temperaturi”. Istraživanje je prilično odjeknulo u vašem području. Kako je prošlo i zašto je ovo otkriće bilo toliko važno?
– Većina istraživanja na odjelu uvijek se temeljila na bezolovnim feroelektricima. Osim bizmut ferita, slični materijali uključuju kalijev natrijev niobat, barijev titanat i druge. Ovi materijali imaju posebnu, takozvanu perovskitnu strukturu kojom se može manipulirati. Dakle, možemo razmjenjivati atome, stvarati pogrješke, što utječe na svojstva materijala.
Bizmut ferit počeo se detaljnije proučavati zbog otkrića povećane lokalne električne vodljivosti, ali mehanizam za to nije bio poznat. I sama sam sudjelovala u istraživanju u strukturnoj analizi, gdje smo pomoću probirnog elektronskog mikroskopa eksperimentalno dokazali da se na određenim mjestima u materijalu, tzv. stijenkama domene, defekti nakupljaju na mjestima atoma i elektrona – tamo gdje bi trebali biti, nema ih. Ti su nedostaci krivi za veću električnu vodljivost ovih zidova u usporedbi s njihovom okolinom u materijalu. Električna vodljivost je, međutim, nepoželjna, pa su kolege uspjeli pripremiti isti materijal na temelju ovih nalaza, ali bez provodnih zidova domene.
Važan rezultat ovog istraživanja bio je da s različitim uvjetima u sintezi možemo utjecati na nedostatke u strukturi i, posljedično, na konačna svojstva materijala. Naravno, jasno je da sintetički uvjeti poput temperature, tlaka i vremena utječu na svojstva materijala, ali u ovom slučaju, kako bismo razumjeli podrijetlo veće električne vodljivosti materijala, morali smo istražiti do atomske razine i detaljno analizirati materijal.
Nanoelektronika
Nakon ovog istraživanja odlučili smo se za nove koji nam pokazuju da se mehanička svojstva ovih zidova također razlikuju od okoline. Imaju različitu elastičnost, što znači da različito prenose toplinu. Ideja, koju su već iznijeli strani istraživači, je da zidovi domene, koji imaju drugačiji elastični odgovor od okolnog materijala, prenose toplinu na drugačiji način. U slučaju mekših zidova domene, u materijalu bi se stoga mogli stvoriti nanometarski kanali kroz koje bi se toplina brže prenosila. To otvara mogućnosti za upotrebu ovih materijala u nanoelektronici.
Spomenuta strukturna istraživanja ekološki prihvatljivih feroelektrika proširili smo na tzv. in situ istraživanja. To su studije u kojima se eksperiment provodi u probirnom elektronskom mikroskopu. U ovom smo slučaju primijenili električni napon na feroelektrik, promatrajući promjene u materijalu. To se može učiniti zahvaljujući posebnim nosačima koji omogućuju napajanje napona. Naime, feroelektrični materijali u aplikacijama djeluju kada se na njih primijeni električno polje, a njihov odziv uvelike ovisi o pokretljivosti zidova domene.
Do sada su sva naša strukturna istraživanja bila statična, ali sada smo pokušali simulirati neku vrstu stvarnog okruženja u kojem rade feroelektrični materijali. Naravno, to još uvijek nije potpuno realno okruženje, jer su naši uzorci potpuno različitih dimenzija, naprezanja nisu usporediva sa stvarnim uvjetima, ali rezultati ipak nude uvid u lokalni odziv materijala. Zanimalo nas ograničavaju li nedostaci koji se nakupljaju na tim zidovima pokretljivost zidova, putuju li zajedno sa zidovima ili se ljušte od njih. Ispada da neki rasjedi putuju zajedno sa zidovima, dok drugi ostaju iza, a svi utječu na lokalnu strukturu, posebno na naponska polja.
- Spomenuli ste da je feroelektrična energija poznata više od stotinu godina. Koliko su dobro proučeni feroelektrici, jesu li sva svojstva već poznata?
– Na atomskoj razini, gdje su istraživanja posebno važna za razvoj novih tehnologija poput nanotehnologije, još uvijek postoje mnoga svojstva koja ne razumijemo.
Primjer koji mogu navesti iz našeg istraživačkog tima je proučavanje lokalne strukture na atomskoj razini bezolovnog feroelektričnog materijala barijevog titanata (BaTiO3), u kojem sam sudjelovao pomoću probirnog elektronskog mikroskopa. Lokalna struktura materijala često nije identična prosječnoj strukturi. Materijali koji su hijerarhijski organizirani reagiraju na vanjska polja s dinamikom ovisnom o strukturi na svim skalama veličina, što dovodi do makroskopskih odgovora koji se ne mogu trivijalno objasniti. Jedan od takvih fenomena je makroskopska polarizacija u nominalno nepolarnim paraelektričnim fazama feroelektričnih materijala. Ove studije su važne za razumijevanje strukture neuređenih materijala na atomskoj razini i mogu pomoći u razjašnjavanju nejasnoća o dinamičkoj i statičkoj prirodi polarnih nanoklastera.
Zanimljivo je da naša studija pokazuje da je smjer polarizacije unutar određenog polarnog skupa stabilan na vremenskoj skali mjerenja od deset do sto sekundi, što je suprotno prethodnim predviđanjima, gdje je utvrđeno da su polarne regije vremenski stabilne samo nekoliko pikosekundi.
Identifikacija polarnih klastera, njihove veličine, prostorne raspodjele i drugih svojstava mogla bi imati značajan utjecaj na modeliranje i optimizaciju dielektričnih svojstava i visokofrekventnih gubitaka u ovoj obitelji materijala koji se široko koriste u kondenzatorima i mikrovalnim komunikacijama.
Važnost moderne tehnologije
- Jesu li određena istraživanja moguća samo uz modernu tehnologiju?
– Nove moderne tehnologije zasigurno otvaraju nove uvide, ponekad eksperimentalno podržavajući nešto što je proračunato ili predloženo, a ponekad opovrgavajući prethodne teorije. Raspolažemo s dva najsuvremenija linearna skenirajuća elektronska mikroskopa s atomskom rezolucijom, jedan na Kemijskom institutu, a drugi na Kemijskom institutu. To je najbolja oprema koju možemo imati i stvarno je dobro što je država podržala kupnju. Ne radi se samo o mogućnosti provođenja istraživanja na najvišoj razini, iznimno je važno da mladi ljudi imaju pristup ovoj opremi. To ih automatski čini konkurentnima na globalnoj razini.
Jako volim koristiti ovu opremu kada odgađam mnoge druge obveze i posvećujem se istraživanju. Uživam zaključavati se u podrum gdje imamo mikroskop, jer bi trebalo biti što manje vibracija. Gotovo je nevjerojatno kada mogu promatrati atome.
Vodim veliki interdisciplinarni nacionalni istraživački projekt za uspostavljanje platforme za razvoj nove 4D linijske probirne elektronske mikroskopije
- Koje je vaše trenutno istraživanje?
– Najviše vremena posvećujem strukturnim istraživanjima pomoću skrining elektronske mikroskopije feroelektričnih materijala, koje pripremaju kolege s Zavoda za elektronsku keramiku IJD. Odjel, koji vodi prof. Barbara Malič, svjetski je poznat po sintezi ovih materijala. Također surađujem s mnogim istraživačima iz inozemstva, uglavnom iz Europe, kao i iz Amerike i Japana.
Od 2022. vodim veliki interdisciplinarni nacionalni istraživački projekt za uspostavljanje platforme za razvoj nove 4D linijske probirne elektronske mikroskopije. Nedavno razvijeni matrični detektori elektrona omogućuju nam da pogledamo materijal, ne samo do atoma, već čak i dublje, na primjer, na raspodjelu gustoće naboja u materijalu. Projekt okuplja znanstvenike s Instituta “Jožef Stefan” i Kemijskog instituta koji se bave primjenom mikroskopije na različitim materijalima, kao što su feroelektrici, litijeve baterije, katalizatori i magnetski materijali.
Istraživači koji rade na računalnim metodama i umjetnoj inteligenciji također igraju važnu ulogu u ovom projektu. Naime, ovi novi detektori omogućuju promatranje svjetlosnih elemenata i praćenje lokalnih električnih, magnetskih i naponskih polja. To stvara ogromnu količinu podataka koje je vrlo teško analizirati ručno. Ovom izazovu pristupamo korištenjem različitih tehnika umjetne inteligencije koje omogućuju veću brzinu analize i otkrivanja uzoraka u ovim velikim količinama podataka. Razvoj mikroskopije je izvanredan, što naravno znači i da zahtijeva nova znanja cijelo vrijeme.
Dio mog posla je i mentorstvo doktorandima iz mikroskopije, što mi je veliko zadovoljstvo. Vrlo je lijepo biti dio istraživačkog razvoja mladih ljudi. Za mene su uglavnom djevojke te koje privlače istraživanja i često, gotovo uvijek, postaju pokretačka snaga istraživanja.
- Je li ovo zanimljivo područje za mlade?
– Da, vrlo. Nažalost, mladi istraživači često odlaze u svijet, jer svugdje nedostaje vrhunskih kadrova u ovom području. Potrebno im je dosta godina da zaista dobro nauče, jer su to zahtjevni postupci. Priprema uzoraka vrlo je složena, a analiza rezultata također zahtijeva vrijeme. Ovo istraživanje zahtijeva veliku preciznost i strpljenje, ali obično je na kraju rezultat toliko zanimljiv da se trud isplati.
- Čak i istraživači često sjedesatima, to uravnotežite sa sportom, ako se ne varam, vi ste mornar.
– Da. Slobodno vrijeme volim provoditi u prirodi, na moru ili u planinama. Volim sport, toliko da mi nedostaje posao, svakodnevne tegobe, problemi … Zanimljiva je slučajnost da nam plove mnogi kolege s Instituta “Jožef Stefan” i Kemijskog instituta koji se bave mikroskopijom. Svake godine ženska ekipa pokušava se natjecati na barem jednoj regati. Zapravo, jedrenje bi se moglo usporediti s našim radom, to je timski sport, u kojem svaki pojedinac obavlja određeni zadatak, a sve se onda spaja u cjelinu i uspjeh.
