Gennemsigtighed opdaget i krystaller med ultrahøj piezoelektricitet

Brug af en AC frem for et DC elektrisk felt kan forbedre den piezoelektriske respons af en krystal. Nu, et internationalt team af forskere siger, at cykler af AC -felter også gør de indre krystaldomæner i nogle materialer større og krystallen gennemsigtige.

"Der har været rapporter om, at brugen af ​​AC -felter betydeligt kan forbedre de piezoelektriske reaktioner - for eksempel med 20% til 40% - over DC -felter, og forbedringerne er altid blevet tilskrevet de mindre interne ferroelektriske domænestørrelser, der skyldes cyklusser af AC felter, "sagde Long-Qing Chen, Hamer professor i materialevidenskab og teknik, professor i ingeniørvidenskab og mekanik, og professor i matematik ved Penn State. "For cirka tre år siden, Dr. Fei Li, derefter en forskningsassistent ved Materials Research Institute i Penn State, bekræftede stort set forbedringen af ​​piezoelektriske ydelser fra anvendelse af AC -felter. Imidlertid, det var slet ikke klart, hvordan de interne ferroelektriske domæner udviklede sig under vekselstrømscykler.

"Vores gruppe laver mest computermodellering, og for mere end et år siden begyndte vi at undersøge, hvad der sker med de interne domænestrukturer, hvis vi anvender AC -felter til en ferroelektrisk piezoelektrisk krystal. Vi er meget nysgerrige efter, hvordan domænestrukturerne udvikler sig under vekselstrømscykler. Vores computersimuleringer og teoretiske beregninger viste et forbedret piezoelektrisk respons, men vores simuleringer viste også, at de ferroelektriske domænestørrelser faktisk blev større under vekselstrømscykler frem for mindre som rapporteret i litteraturen. "

Piezoelektriske materialer genererer elektriske ladninger, når der påføres en mekanisk kraft, og deformeres eller ændrer form, når et elektrisk felt påføres. Forskerne undersøgte blymagnesiumniobat-blytitanat-PMN-PT-et kommercielt tilgængeligt piezoelektrisk materiale. Beregningsresultaterne var uventede, fordi de fleste mennesker i det piezoelektriske samfund mener, at jo mindre domæner er, jo højere piezoelektrisk respons.

Domæner inden for en krystal er områder, inden for hvilke elektriske dipoler eller elektrisk polarisering arrangerer sig i samme retning. Inden justeringen af ​​dipoler eller polarisering af en PMN-PT-krystal ved hjælp af et elektrisk felt, der er mange små domæner med polarisering i forskellige retninger. Når cyklusser af AC elektriske felter påføres krystallen, domæner tilpasser sig, bliver færre og større. Efter flere vekselstrømscykler, domæner er store og i lag.

"Simuleringsresultaterne var i modstrid med rapporter i litteraturen, "sagde Chen." Vi var nødt til at grave dybere for at se, om virkeligheden stemmer overens med vores simuleringsresultater. "

Forskere ved Xi'an Jiaotong University i Kina dyrkede derefter deres egne PMN-PT-krystaller og undersøgte omhyggeligt domænekonfigurationerne i deres prøver ved hjælp af forskellige eksperimentelle karakteriseringsteknikker under forskellige AC-cykelforhold. De bekræftede de beregningsmæssige forudsigelser fra Penn State om, at domæner faktisk bliver større under vekselstrømscykler.

Den større domæne størrelse og de særlige lag domæne strukturer tyder også på, at en lysstråle vist på krystallen ville være uhindret og skinne lige igennem - krystallen ville være gennemsigtig. Krystallerne besidder ikke kun ultrahøj piezoelektricitet, men er også meget gennemsigtige, efter at deres overflader er omhyggeligt poleret. I fortiden, krystaller som denne har altid været uigennemsigtige.

Forskerne rapporterer i dag (15. januar) i Natur at "arbejdet præsenterer et paradigme for at opnå en hidtil uset kombination af egenskaber og funktionaliteter gennem ferroelektrisk domæneteknik, og de nye transparente ferroelektriske krystaller, der rapporteres her, forventes at åbne op for en lang række applikationer til hybridudstyr, såsom medicinsk billeddannelse, selv-energi-høstende berøringsskærme og usynlige robotudstyr. "