Nyt keramisk materiale kan reducere omkostningerne til piezoelektriske enheder

Piezoelektrik er materialer, der ændrer deres form, når et elektrisk felt påføres, med vidtspændende applikationer, herunder trykning af blæk på papir og præcis flytning af spidsen af ​​et scanningstunnelmikroskop. I øjeblikket, de mest effektive piezoelektriske stoffer er dem i enkeltkrystalform, fordi de har en stor elektrobelastningsværdi (> 1 procent), som er en markering af, hvor meget materialet kan ændre sin form, når det elektriske felt påføres. Imidlertid, de er meget dyre og svære at fremstille. Keramisk piezoelektrik, består af flere små krystaller, er mindst hundrede gange billigere og nemme at masseproducere, men de har normalt meget lave elektrobelastningsværdier.

For første gang, forskere ved Indian Institute of Science (IISc) har designet et keramisk materiale, der er i stand til at opnå en elektrobelastningsværdi på 1,3 procent - den højeste for en keramik til dato og den tættest på rekorden, der er sat af enkeltkrystaller.

"Processen med at lave keramik ligner processen med at lave mursten, " siger Rajeev Ranjan, lektor, Institut for Materialeteknik, IISc, der ledede undersøgelsen. "Dette kan give aktuator- og transducerindustrien mulighed for at vælge materialer, der er meget billigere end enkeltkrystaller til avancerede applikationer."

Undersøgelsen blev offentliggjort i Naturmaterialer .

Naturmaterialer som kvarts, når de skæres som enkeltkrystaller, kan komprimere eller udvide automatisk, når der påføres spænding. Imidlertid, deres fremstilling er dyr og kompliceret. Siden 1950'erne, fokus er flyttet mod billigere ferroelektrisk-baserede keramiske blandede metaloxider. Disse keramik viser ikke piezoelektricitet i deres forberedte form, men kan klares ved at påføre en stærk spænding.

Når et elektrisk felt påføres et piezoelektrisk materiale - krystal eller keramik - udvikler det en belastning, en kvalitet, der måles ved, hvor meget dens længde ændrer sig i forhold til dens oprindelige dimension. Jo større belastning der kan induceres i materialet, des bedre, især til applikationer som ultralydsgenerering i medicinsk billedbehandlingsudstyr. Den højeste værdi af denne elektrostrain opnået til dato er 1,7 procent i enkeltkrystaller af en speciel type blybaserede materialer kaldet relaxor ferroelektriske stoffer. Indtil nu, forskere har ikke været i stand til at designe keramik med lignende eller tætte elektrobelastningsværdier.

Et keramisk materiale er generelt en assorteret masse af bittesmå, tilfældigt orienterede metaloxidkrystaller kaldet korn. Når der påføres spænding, lokale regioner kaldet domæner inden for hvert korn forsøger at orientere sig i retning af det anvendte felt, får kornet til at ændre sin form. I hvilket omfang et korn ændrer form afhænger af en iboende egenskab kaldet "spontan gitterstamme". Jo større denne spontane belastning, jo mere kan kornet deformeres under et elektrisk felt. Elektrobelastningen set i et keramisk piezoelektrisk materiale repræsenterer summen af ​​forlængelserne af alle de flere tusinde korn.

Imidlertid, de fleste piezoelektriske keramik har en ulempe:når spændingen er slukket, domænerne forbliver fast i deres nye konfiguration, fastspændt af fejl i materialet, og er ude af stand til at vende tilbage til deres oprindelige tilstand. Det betyder, at når spænding påføres for anden eller tredje gang, elektrobelastningen reduceres drastisk.

Derfor, et ideelt piezokeramisk materiale bør ikke kun have en stor spontan gitterbelastning, men også en reversibel bevægelse af domæner.

For at udvikle et sådant materiale, Ranjan og hans team forberedte først en fast opløsning af forbindelserne BiFeO ₃ og PbTiO ₃ der havde en stor spontan gitterstamme. Fordi domænerne i dette materiale var immobile, de modificerede det kemisk ved at tilføje forskellige mængder af grundstoffet lanthan for at få domænerne til at bevæge sig. Ved en vis kritisk koncentration af lanthan, domænerne var i stand til at skifte tilbage til deres oprindelige tilstand, da spændingen blev slukket.

"Vores materiale kan derfor sammenlignes med en gummi, der kan forlænges gentagne gange, hver gang vi strækker os, siger Ranjan.

Ved denne koncentration af lanthan, materialet viste også en elektrobelastningsværdi på 1,3 procent, næsten det dobbelte af den hidtil højeste værdi rapporteret for en keramik. Værdien forblev den samme, hver gang der blev påført spænding. Ved nærmere undersøgelse, materialet viste egenskaber i nanoskala, der svarede til de højtydende relaxor-ferroelektriske komponenter.

"Vores demonstration af, at elektrobelastning af så stor størrelse kan realiseres selv i keramik, vil sandsynligvis stimulere videnskabsmænd til at lede efter flere nye materialer, siger Ranjan.