Så du trodde at antiferroelektriske materialer alltid var upolare? Niks!
Hva i all verden er nå antiferroelektriske materialer, og hva vil det si at de kan være polare? Svarene kan gi nye muligheter innenfor teknologi.
Kortversjonen
- Forskere har funnet at noen materialer kombinerer egenskaper som tidligere ble sett på som gjensidig utelukkende. Dette kan åpne for ny teknologi.
- Polare materialer har en skjev fordeling av elektrisk ladning. De har en positiv og negativ side, selv uten ytre elektrisk felt.
- Antiferroelektriske materialer har vanligvis et vekslende opp–ned-mønster av ladninger som utligner hverandre, men nye funn viser at mer komplekse mønstre også kan gi slike egenskaper.
- Dette gjør at antiferroelektriske materialer kan være en mye bredere materialklasse enn tidligere antatt, med potensial for bruk i energilagring, sensorer og nye elektroniske teknologier.
Nå er forskere på sporet av materialer med en kombinasjon av egenskaper som de tidligere antok utelukket hverandre. Dette kan bidra til ny teknologi.
Mange avanserte elektroniske komponenter som omgir oss i hverdagen må være polare for å fungere.
Dennis Meier. Foto: Thor Nielsen, NTNU
Polare materialer har en skjev fordeling av elektrisk ladning. Det gjør at de får en positiv og en negativ side selv uten et ytre elektrisk felt som påvirker det.
De viktigste blant disse er ferroelektriske materialer, der vi kan vende polariseringsretningen med et elektrisk felt.
Antiferroelektriske materialer
Antiferroelektriske materialer er annerledes. De har et vekslende opp-ned-mønster av små elektriske ladninger. Disse materialene har unike egenskaper som vi blant annet kan bruke i energilagring og nye typer kjøling.
Men inntil nylig har vi trodd at slike materialer ikke kunne være polare også.
– Dessverre utligner disse elektriske ladningene hverandre, slik at det antiferroelektriske materialet blir upolart. Dette begrenser deres anvendelsesområder i en bredere sammenheng, sier Dennis Meier.
Han er professor II ved Institutt for materialteknologi ved NTNU. Meier er involvert i to forskningsartikler, den ene i Nature Materials, den andre i Nature Nanotechnology.
Hva betyr ordene?
• Ferroelektriske materialer har massevis av bittesmå elektriske ladninger i seg. Nesten alle disse ladningene peker i samme retning, og du får en såkalt elektrisk dipol. Den ene enden av materialet blir dermed pluss, og den andre minus. Men du kan snu retningen om du tilsetter elektrisitet, og det er nyttig. Disse materialene brukes gjerne i kondensatorer, ultralydsensorer, enkelte minnebrikker og den slags.
• Antiferroelektriske materialer er også nyttige. De har også massevis av bittesmå elektriske ladninger, men der peker ladningene i materialet sånn omtrent annenhver gang i den ene eller den stikk motsatte retningen. Til sammen nuller de derfor hverandre ut, og du får ingen elektrisk dipol. Disse materialene er gode til å lagre store mengder energi som trenger hurtig frigjøring.
• Det nye materialet kombinerer egenskaper fra både ferroelektriske og antiferroelektriske materialer, men viser også hybride egenskaper som er uvanlige for de to andre.
Materialer som bryter reglene
Men må materialet ha dette strenge opp-ned-mønsteret for å bevare de antiferroelektriske egenskapene?
– I mange år trodde forskere dette, til tross for at flere diskuterte mer kompliserte mønstre, sier forsker Ivan Ushakov ved Institutt for materialteknologi. Han er førsteforfatter av den ene artikkelen.
Disse kompliserte mønstrene kan være alt fra enkle hellinger og ujevnheter i opp-ned-mønsteret til bølger og spiraler. Kombinasjoner av flere er også mulig.
– Funnene våre viser at utligningen ikke alltid er nødvendig allikevel. Det betyr at antiferroelektriske materialer er en mye bredere og rikere gruppe materialer enn tidligere antatt. Dette krever en omdefinering av hele konseptet, sier Dennis Meier.
Dannet kompliserte mønster isteden
Et eksempel er forbindelsen K₃[Nb₃O₆|(BO₃)₂], som er kjent for å antyde både polare og antiferroelektriske egenskaper.
Ivan Ushakov. Foto: Kai T. Dragland, NTNU
– I dette materialet er ikke opp-ned-mønsteret utlignet. Dette er på grunn av en liten helling. Ved å se nærmere på strukturen har vi funnet eksakte mekanismer som gjør det mulig at både ferroelektrisitet og antiferroelektrisitet eksisterer samtidig i ett materiale, sier Ivan Ushakov.
Overraskende nok viser det seg at forbindelsen ikke bare kombinerer egenskaper fra ferroelektriske og antiferroelektriske materialer. Ved å se nærmere på de elektrisk styrbare områdene, såkalte domener, fant forskerne at materialet også har unike «hybride» egenskaper.
– Med avansert mikroskopi ser vi at domenene er skilt av svært utstrakte og ekstremt tynne grenser, med egenskaper som er svært uvanlige for tilsvarende grenser i både klassiske ferroelektriske og antiferroelektriske materialer, sier Dennis Meier.
Arbeidet peker mot en ny klasse materialer der elektriske egenskaper ikke lenger passer inn i én enkelt kategori.
Slike hybride systemer kan åpne for nye muligheter innen energilagring, sensorer og andre elektroniske teknologier – og samtidig tvinge fram en ny forståelse av hva antiferroelektrisitet egentlig er.
Referanser:
Ushakov, I.N., Topstad, M., Khalid, M.Z. et al. Hybrid antiferroelectric–ferroelectric domain walls in noncollinear antipolar oxides. Nat. Nanotechnol. 21, 648–654 (2026). https://doi.org/10.1038/s41565-026-02139-8
Catalan, G., Gruverman, A., Íñiguez-González, J. et al. A modern perspective on antiferroelectrics. Nat. Mater. 25, 557–565 (2026). https://doi.org/10.1038/s41563-026-02483-z
