Oprindelsen til ultrahøj piezoelektrisk respons

Alle ferroelektriske materialer besidder en egenskab kendt som piezoelektricitet, hvor en påført mekanisk kraft kan generere en elektrisk strøm, og et påført elektrisk felt kan fremkalde en mekanisk reaktion. Ferroelektriske materialer bruges i en lang række industrielle applikationer, fra ultralyd og ekkolod til kondensatorer, transducere, vibrationssensorer og ultrafølsomme infrarøde kameraer. Nu, et internationalt team af forskere under ledelse af Penn State kan have løst den 30-årige gåde om, hvorfor visse ferroelektriske krystaller udviser ekstremt stærke piezoelektriske reaktioner.

I 1997, en relaxor-ferroelektrisk fast opløsningskrystal med det højest kendte piezoelektriske respons blev rapporteret i Penn State af Thomas R. Shrout, i øjeblikket seniorforsker og professor i materialevidenskab og teknik i Penn State, og afdøde Seung-Eek Park. Den har en piezoelektrisk reaktion fem til ti gange højere end noget andet kendt ferroelektrisk materiale.

"Der er blevet foreslået en række mekanismer til at forklare dens ultrahøje piezoelektriske reaktioner, men ingen af ​​dem giver en tilfredsstillende forklaring på alle de eksperimentelle observationer og målinger forbundet med den høje respons. Uden en fast forståelse af den bagvedliggende mekanisme, det ville være svært at designe nye materialer med endnu højere piezoelektrisk respons, "sagde Fei Li, en postdoktor i materialevidenskab og teknik i Penn State og hovedforfatter til en nylig artikel i tidsskriftet Naturkommunikation forsøger at forklare fænomenet.

Imidlertid, det videnskabelige samfund har nået en generel konsensus om, at noget kaldet polare nanoregioner bidrog til den høje piezoreaktion af relaxorkrystaller, Sagde Li.

En polar nanoregion er et rumligt område i en krystal. Den har en nanoskala (5-10 nm) og har en netto elektrisk polarisering. Der er mange sådanne små områder tilfældigt fordelt i rummet i en relaxor -krystal. Andre velkendte piezoelektriske materialer, som blyzirkonat titanat (PZT), ikke har polære nanoregioner, men i stedet have meget større ferroelektriske domæner, hvor polarisationen er ensartet. Teamet satte sig for at bevise, at de polare nanoregioner faktisk var ansvarlige for de enorme reaktioner, og endnu vigtigere, at bestemme den mekanisme, hvormed de hjælper med at generere så enorme svar.

Forsøgene blev udført ved ultralave kryogene temperaturer (50-150 K). Dette gjorde det muligt for forskerne at adskille svarene fra de polare nanoregioner, som forbliver aktive inden for dette temperaturområde, fra de høje piezoelektriske reaktioner, der typisk finder sted i nærheden af ​​en ferroelektrisk faseovergang.

"Vi eksperimentelt observerede en signifikant forbedring af den piezoelektriske reaktion af relaxor-ferroelektriske krystaller i temperaturområdet 50-150 K. Denne forbedring tegner sig for 50-80% af piezoelektriciteten ved stuetemperatur, "sagde Shujun Zhang, seniorforfatter og professor i materialevidenskab og teknik ved Penn State (i øjeblikket ved University of Wollongong).

"Vi tilskriver den eksperimentelt observerede forbedring eksistensen af ​​de polare nanoregioner. Ved hjælp af fasefeltmodellering, vi beviste først, at denne betydelige forbedring stammede fra de polare nanoregioner, dvs. forbedringen er fraværende uden tilstedeværelsen af ​​disse polære nanoregioner, og demonstrerede derefter, hvordan de polare nanoregioner hjælper med at generere ultrahøje reaktioner, "sagde Long-Qing Chen, en seniorforfatter og Donald Hamer professor i materialevidenskab og teknik, Penn State. "Vores foreslåede mekanisme er i stand til med succes at forklare alle de eksperimentelle målinger og observationer, der er forbundet med de høje responser. Dette arbejde er et vigtigt skridt i at realisere drømmen om at opdage nye piezoelektriske materialer ved design.

En advarsel

"Imidlertid, det skal bemærkes, at vores foreslåede model er en mesoskala -model, som er en mellemskala. Den atomistiske oprindelse af PNR'er er stadig et åbent spørgsmål, så yderligere dybdegående forskning er stadig påkrævet for at præcisere bidragene fra polære nanoregioner i atomskalaen. Og faktisk, vores igangværende arbejde er fokuseret på at forstå atomskala-mekanismerne for polare nanoregioner i piezoelektriske reaktioner, "sagde Chen.