K tomu, aby chytré telefony déle vydržely nabité a mobilní 5G sítě spotřebovávaly výrazně méně energie, by do budoucna mohl pomoci nový mikrovlnný materiál, k jehož vyvinutí přispěl také tým výzkumníků z Fyzikálního ústavu Akademie věd České republiky.
„Vytvořili jsme látku s novou krystalovou strukturou, která dosud v přírodě neexistovala, protože je sama o sobě termodynamicky nestabilní. Nám se ji podařilo stabilizovat interakcí s podložkou, na kterou byl materiál deponován. Získali jsme tak systém s unikátními fyzikálními vlastnostmi vhodnými pro mikrovlnné aplikace. Náš materiál může pracovat až do 125 GHz, tedy výše, než požadují mobilní sítě 5G,“ přibližuje Stanislav Kamba z Akademie věd.
5G sítě mají do budoucna pracovat s vysokými frekvencemi (24 až 72 GHz), kde dosavadní používané součástky vykazují vysoké elektrické ztráty, takže se vědci a technologové snaží vyvinout materiály s nízkými dielektrickými ztrátami a s vysokou elektrickou laditelností permitivity nebo kapacity.
S materiálem původně přišli na Cornell University ve Spojených státech. „My jsme materiál charakterizovali v terahertzové oblasti a vysvětlili jsme, proč má ideální mikrovlnné vlastnosti,“ vysvětluje Kamba pro Lupu. Vědecká spolupráce čítající týmy z USA, Česka a Německa mimo jiné vyústila v článek publikovaný v odborném časopise Nature Materials. Hlavním finančním podporovatelem bylo americké ministerstvo energetiky.
Do nasazení materiálu v praxi je ještě daleko. Na Cornellu jsou schopní materiál vyrábět, stále ale jde spíš o základní výzkum a k převedení do sériové výroby budou potřeba ještě vysoké finanční částky a překonání řady technologických limitů. Na Cornellu mají k dispozici výrobní vakuovou aparaturu. Věnuje se jí Schlom Group pro Oxide Molecular-Beam Epitaxy, přičemž její laboratoř lze virtuálně prozkoumat na webu.
Schématické obrázky krystalových struktur a jejich zobrazení ve skenovacím transmisním elektronovém mikroskopu
V novém materiálu se konkrétně střídají atomové vrstvy SrTiO3, BaTiO3 a SrO. Schématické obrázky krystalových struktur (SrTiO3)n-1(BaTiO3)1SrO a jejich zobrazení ve skenovacím transmisním elektronovém mikroskopu lze vidět na přiloženém obrázku. Nejlepších mikrovlnných a terahertzových vlastností bylo dosaženo ve vzorcích s n = 6. Žluté oktaedry zobrazují TiO6 vrstvy, větší zelené a červené body značí atomy Sr a Ba.
Vrstvy se nanášely pomocí molekulárních svazků na podložku z DyScO3, která indukuje ve vrstvách mechanické pnutí. Výsledkem růstu byly vrstvy se supermřížkovou strukturou a měnitelnou tloušťkou vrstvy SrTiO3. Nejlepších mikrovlnných parametrů bylo dosaženo ve vrstvách (SrTiO3)5(BaTiO3)SrO. Tyto vrstvy mají nejnižší dielektrické ztráty a vysokou laditelnost permitivity, jakých dosud bylo dosaženo.
„Zajímavé je, že nejdříve došlo k předpovězení teoretickému. Materiál byl vypočítán, pak byl připraven a následně charakterizován. Potvrdili jsme teoretickou fyziku. Předpovězení vyšlo z takzvaných prvních principů, kdy počítáte vazby mezi atomy, kvantovou mechaniku a podobně,“ navazuje Kamba.
Stanislav Kamba některé další informace rozvádí v rozhovoru:
Přiblížil byste dále, na co jste přišli?
V našem oddělení se už dlouho mimo jiné zabýváme výzkumem mikrovlnných a terahertzových vlastností pevných látek. Pro mikrovlnné komunikace se mimo jiné používají komponenty, takzvané dielektrické rezonátory, které musí mít vysokou permitivitu a nízké elektrické ztráty. Technologové je dlouhá léta připravovali nahodilým pokusem. My jsme přišli s metodou, jak z terahertzových vlastností určit ztráty, které v materiálu vždy musí být. Ztráty jsou dány kmity krystalové mříže.
Permitivita je v dobrém případě, když nejsou přítomny defekty, frekvenčně nezávislá v mikrovlnné oblasti. Tam, kde kmitají atomy, začne být silně frekvenčně závislá. Imaginární složka permitivity jsou ztráty, které mají maximum tam, kde je kmit krystalové mříže. Ztráty mají takový chvost, který se dá extrapolovat do mikrovlnné oblasti. Z této extrapolace jsme schopní určit, jaké mají být mikrovlnné ztráty v materiálu. Pokud jsou vyšší, je to dané defekty.
Jeden parametr je kapacita materiálu a permitivita a druhou věcí je to, jak dobře můžeme permitivitu ovlivňovat a ladit elektrickým polem. Tak, aby bylo možné elektrické součástky v mobilech a vysílačích ladit na nějakou frekvenci. Ukazuje se, že nejlépe laditelné materiály jsou takové, kde je možné ladit elektrickým polem kmity krystalové mříže. To je v případě materiálů, které jsme charakterizovali a určili.
Vrstvená struktura stroncia (bez barvy), barya (červená) a titanu (šedozelená) je laditelné dielektrikum, které může zlepšit vysokofrekvenční elektroniky.
Kdy lze očekávat nasazení do praxe?
To, co jsme ukázali, je důkaz toho, že se materiály dají připravit lépe než to, co se používá dnes. Jestli se tento materiál bude používat, nejsem schopen říci. Asi záleží na tom, jak se vylepší technologie. Je to otázka vývoje a nečekám, že by materiál byl příští rok na trhu.
V jaké podobě by se materiál mohl ve smartphonech či na vysílačích objevit?
Výhoda materiálu je ta, že je velmi tenký. Jde vytvořit tenká vrstvička o padesáti, sto nanometrech a může být velmi malá. Díky tomu je možná dobrá integrace. Problémem ovšem může být, že není moc dobře kompatibilní s křemíkovou technologií.
Jinak lze docílit nižší energetické náročnosti, protože jsou nižší ztráty a je tedy potřeba méně energie pro provoz. V rámci 5G sítí bude nasazeno velké množství vysílačů a ne všechny budou mít dobrý přístup k napájení. Je tedy dobré, aby součástky měly co nejmenší nároky na energii.
5G sítě už jsou někdy spuštěny a jinde se pomalu začínají připravovat. Není tedy „váš“ materiál spíše záležitostí až další generace sítí?
5G sítě, které se nyní nasazují, ještě nejsou pořádně nad 20 GHz a mají nižší frekvence. Tam je stávající technologie dostačující. Pokud ale budeme chtít jít na 20 až 70 GHz, budeme muset přijít s jinými materiály, aby vše bylo energeticky udržitelné. Vysílačů a mikrovlnných součástek bude v provozu stále více a hrozí, že se celkově bude zvyšovat energetická náročnost.
Systém pro Oxide Molecular-Beam Epitaxy na Cornell University
Mimochodem, v našem oddělení studujeme i další feroelektrika a jedním z použití je na získávání energie z takzvaných piezoelektrických součástek (piezoelektrický jev je schopnost krystalu generovat elektrické napětí při jeho deformování – poznámka redakce). Všechny mikrofony používají piezoelektrické membrány. I vibrace telefonu jsou způsobeny piezoelektrickým členem. Piezoelektrického jevu se začíná využívat v takzvaném energy harvestingu. Elementy by šly dávat třeba do mostů a tím, jak by na mostě vznikaly vibrace, by došlo k vyrábění proudu. Ten by pak napájel čidla sledující onen most. Zde se tedy nabízí další potenciální využití.
Další možná aplikace feroelektrik je to, že by se dala používat jako paměti. Současné tradiční pevné disky používají magnetické médium, do kterého se zapisuje magnetickou hlavou. Je nutné diskem točit, aby se našlo správné místo pro zapsání. Magnetické zapisování je pomalé. Kdyby šlo udělat integrovaný obvod, který by byl magnetický, ale magnetismus by se řídil magnetickým polem, šlo by o technologickou revoluci.
Princip je dovozený, ale materiálů, které to umí, je málo a většinou fungují při nízkých teplotách. Důvodem je to, že většina magnetických materiálů jsou kovy a ty nelze řídit elektrickým polem, protože se probijí. Potřebujeme nevodivý magnet, které existují, ale je jich podstatně méně, a navíc takový, který dovoluje takzvanou elektromagnetickou vazbu, aby šlo elektromagnetickým polem přepólovávat materiál. Takové materiály se nazývají multiferoické (jsou feroelektrické a i magnetické). Vodivost je většinou nízká při nízkých teplotách, takže to dobře funguje pod sto kelviny, ale začínají se objevovat i materiály i nad pokojovou teplotou.
Kdo a jak na materiálu pracoval? Bude na něm mít Akademie věd například nějaké patentové zásluhy?
S materiálem přišli na Cornell University ve Spojených státech. My jsme ho nevymysleli. Pokud vznikne nějaký patent, tak jedině v USA, kde odvedli větší práci. My jsme materiál charakterizovali v terahertzové oblasti a vysvětlili jsme, proč má tak ideální mikrovlnné vlastnosti. Má kmity krystalové mříže tak optimální, že jsou dobře laditelné elektrickým polem a málo přispívají do ztrát.
Pokračujeme v sepisování další publikace na toto téma. Charakterizovali jsme materiál v závislosti na teplotě, až do teploty kapalného helia. Ukážeme, co se děje ve feroelektrickém fázovém přechodu. Pozorujeme takzvané měknutí krystalové mřížky, kdy kmit krystalové mřížky se snižuje s teplotou a pak zase zvyšuje. Je to takový základní výzkum daného materiálu.
Co se týče mikrovlnných vlastností, to už moc neděláme a spíše se zaměřujeme na studium multiferoických materiálů. Těch je v přírodě málo a my jsme schopní takový materiál vytvořit umělý tím, že se nanese na podložku ve formě tenké vrstvy, a tím, že je natažený či stlačený, tak má úplně jiné vlastnosti než původní krystal. Takto jsme dokázali indukovat feromagnetismus materiálu, který nebyl feromagnetický. A také indukovat feroelektřinu v materiálu, který nebyl feroelektrický, a to čistě pnutím v tenké vrstvě. Zatím pouze pod sto kelvinů, ale jedeme dál.
Na materiálu se podíleli také Němci, kteří připravili podložky. Jde o monokrystalické podložky, které nám jsou připravovány na míru. Mikrovlnné vlastnosti se pak měřily v Denveru, kde je National Institute of Standards and Technology.
ČLÁNKY DO MAILU