Les ingénieurs en matériaux n'aiment pas voir les défauts de ligne dans les matériaux fonctionnels.

Les défauts structurels le long d'une ligne unidimensionnelle d'atomes dégradent généralement les performances des matériaux électriques. Donc, comme article de recherche publié aujourd'hui par la revue Science rapports, ces défauts linéaires, ou des luxations, "sont généralement évités à tout prix."

Mais parfois, une équipe de chercheurs européens, L'université d'État de l'Iowa et le laboratoire Ames du département de l'Énergie des États-Unis rapportent dans cet article, l'ingénierie de ces défauts dans certains cristaux d'oxyde peut en fait augmenter les performances électriques.

L'équipe de recherche, dirigée par Jürgen Rödel et Jurij Koruza de l'Université technique de Darmstadt en Allemagne, a découvert que certains défauts produisent des améliorations significatives dans deux mesures clés des performances électriques du titanate de baryum, un matériau céramique cristallin.

« En introduisant ces défauts dans le matériau, nous pouvons changer, modifier ou améliorer les propriétés fonctionnelles du matériau, " dit Xiaoli Tan, professeur de science et d'ingénierie des matériaux de l'État de l'Iowa et collaborateur de recherche de longue date de Rödel.

Dans ce cas, les défauts d'ingénierie ont conduit à une multiplication par cinq des propriétés diélectriques (qui restreignent le flux de courant) et à une multiplication par 19 des propriétés piézoélectriques (qui génèrent en interne un champ électrique lorsqu'elles sont soumises à des contraintes mécaniques), dit Tan.

Outils spéciaux pour mesures spéciales

En plus de Tan, deux autres chercheurs de l'Iowa State ont aidé l'équipe de recherche internationale du projet à explorer des questions fondamentales sur les matériaux :Lin Zhou, un scientifique en science et ingénierie des matériaux et au laboratoire Ames du département de l'Énergie des États-Unis ; et Binzhi Liu, doctorant en science et ingénierie des matériaux.

Avec le soutien de la National Science Foundation, les trois ont apporté leur expertise en microscopie électronique à transmission, une technologie qui peut montrer les structures et les caractéristiques des matériaux en projetant un faisceau d'électrons à travers des échantillons minces et en enregistrant une image. Les images ont une résolution beaucoup plus élevée que la microscopie optique et peuvent montrer des détails fins jusqu'à l'échelle des atomes individuels.

La clé du projet était l'installation d'instruments sensibles du laboratoire Ames, construit en coopération avec l'État de l'Iowa. Le bâtiment a été construit en 2015 avec près de 10 millions de dollars du ministère de l'Énergie. Il fournit un environnement exempt de vibrations et d'électricité statique pour la microscopie électronique aux résolutions les plus élevées possibles.

"C'est une installation de microscopie électronique à la pointe de la technologie, ", a déclaré Zhou. "Il fournit un environnement ultra-stable afin que nous puissions obtenir des images de matériau au niveau atomique et en même temps acquérir des informations chimiques.

« C'est une excellente plate-forme pour la recherche et la formation de la prochaine génération de scientifiques des matériaux. »

Un meilleur matériau pour les condensateurs ?

Pour ce projet, l'équipe de microscopie électronique a quantifié la preuve que les défauts de ligne dans un matériau cristallin peuvent améliorer les performances électriques, dit Liu.

Les chiffres ont montré que « les dislocations peuvent altérer de manière significative le comportement d'autres caractéristiques fines du matériau, " dit Liu.

Tan a déclaré que la découverte pourrait avoir de grandes implications pour l'industrie des condensateurs électriques.

Il y a des centaines de condensateurs dans votre téléphone portable et le marché pour eux est énorme, dit Tan. Le matériau céramique testé dans ce projet a été largement utilisé dans les condensateurs, mais l'augmentation des performances électriques induite par les défauts pourrait l'améliorer. Il est également sans plomb et moins toxique que d'autres matériaux.

Et donc, les chercheurs ont écrit, ces défauts de ligne conçus pourraient se transformer en "une suite d'outils différente pour adapter les matériaux fonctionnels". Et cette "récolte fonctionnelle" pourrait être bonne pour notre électronique, et même notre environnement et notre santé.