Исследователи из Южной Кореи и Великобритании получили пленку, которая вырабатывает электричество при сгибании, обладая в миллион раз большей эффективностью, чем другие кристаллические материалы с аналогичными свойствами (кратко об этом явлении мы уже писали).

Новый материал позволит контролировать силу постоянных электрических полей, которые применяются в фотогальванических устройствах.

Пьезоэлектрические материалы вырабатывают электрический ток при сжатии или растяжении. Флексоэлектрические материалы, напротив, производят электрический ток только при сгибании – таким образом, они реагируют на напряжение в материале, на который они нанесены. Однако, поскольку сгибание твердого материала, как правило, достаточно сложно осуществить, флексоэлектрический эффект слишком незначителен для его практического использования.

Вместо того, чтобы продолжать попытки изгибать кристаллы, Тае Вон Нох (Tae Won Noh) из Национального Университета Сеула решили изучить градиент напряжения, приложенного к тонкой пленке смешанного оксида гольмия/марганца (усредненная формула – HoMnO₃). Изученный ими материал постоянно находится под напряжением, что позволило наблюдать для пленки флексоэлектрический эффект в миллион раз больший, чем наблюдавшийся для твердых кристаллов. Было обнаружено, что величина флексоэлектрического эффекта может настраиваться за счет изменения содержания кислорода в образующейся пленке.

Рис. 1. Кристаллическая решетка сапфира способствует
возникновению напряжения в пленке из смешанного
оксида марганца и гольмия. (Рисунок из Phys. Rev. Lett.,
2011, 107, 057602)

Исследователи осаждали HoMnO₃ на сапфир, в котором расстояние между атомами кристаллической решетки превышает расстояние между атомами в HoMnO3. Такое несоответствие приводит к необходимости «растяжения пленки» HoMnO₃ до параметров, характерных для сапфира, что приводит к созданию в пленке напряжения, уменьшающегося по мере удаления слоев материала HoMnO₃ от поверхности сапфира. Такой градиент напряжения приводит к разделению заряда в пленке, а диполь, являющийся следствием разделения зарядов, способствует возникновению электрического поля.

Значительное напряжение возникает в пленке, если пленка достаточно богата кислородом; при низком содержании кислорода в HoMnO₃ образующий сапфир оксид алюминия может терять кислород, в результате чего в кристаллической решетке появляются вакансии и расхождение межатомных расстояний в сапфире и HoMnO₃ уменьшается, в результате чего электрическое поле, генерирумое пленкой с высоким содержанием кислорода, отличается в 7 раз большей напряженностью, чем поле, созданное за счет пленки с низким содержанием кислорода.

Сергей Калинин (Sergei Kalinin), эксперт по наноматериалам из Национальной лаборатории Оак Ридж предполагает, что флексоэлектрический эффект может проявляться не только на наноразмерных масштабах, как было продемонстрировано исследователями из Сеула – по его мнению, электрическая поляризация возникает на границе раздела фаз HoMnO₃/сапфир, поэтому, вероятно, возможно получить флексоэлектрические системы с большой площадью.