Forståelse af relaxor ferroelektriske egenskaber kan føre til mange fremskridt

En ny grundlæggende forståelse af polymer relaxor ferroelektrisk adfærd kan føre til fremskridt inden for fleksibel elektronik, aktuatorer og transducere, energilagring, piezoelektriske sensorer og elektrokalorisk køling, ifølge et team af forskere ved Penn State og North Carolina State.

Forskere har diskuteret teorien bag mekanismen bag relaxor ferroelektrik i mere end 50 år, sagde Qing Wang, professor i materialevidenskab og teknik ved Penn State. Mens relaxor ferroelektrik er velkendt, fundamentalt fascinerende og teknologisk nyttige materialer, -en Natur artiklen kommenterede i 2006, at de var heterogene, håbløse rod.

Uden en grundlæggende forståelse af mekanismen, der er kun gjort små fremskridt med at designe nye relaxor ferroelektriske materialer. Den nye forståelse, som er afhængig af både eksperimenter og teoretisk modellering, viser, at relaxor ferroelektricitet i polymerer kommer fra kædekonformationsforstyrrelser induceret af chiralitet. Kiralitet er et træk ved mange organiske materialer, hvor molekyler er spejlbilleder af hinanden, men ikke helt det samme. Relaxormekanismen i polymerer er meget forskellig fra den mekanisme, der foreslås for keramik, hvis afslappende adfærd stammer fra kemiske lidelser.

"Forskelligt fra ferroelektrik, relaxorer udviser ikke langtrækkende store ferroelektriske domæner, men uordnede lokale polære domæner, " Wang forklarede. "Forskning i afslappende polymere materialer har været udfordrende på grund af tilstedeværelsen af ​​flere faser såsom krystallinske, amorft og krystallinsk-amorft grænsefladeområde i polymerer."

I energilagringskondensatorer, relaxorer kan levere en meget højere energitæthed end normale ferroelektriske stoffer, som har et højt ferroelektrisk tab, der bliver til spildvarme. Ud over, relaxorer kan generere større belastning under de påførte elektriske felter og have en meget bedre energiomdannelseseffektivitet end normal ferroelektrisk, hvilket gør dem til foretrukne materialer til aktuatorer og sensorer.

Penn State har en lang historie med opdagelser inden for ferroelektriske materialer. Qiming Zhang, professor i elektroteknik ved Penn State, opdagede den første relaxor ferroelektriske polymer i 1998, da han brugte en elektronstråle til at bestråle en ferroelektrisk polymer og fandt ud af, at den var blevet en relaxor. Zhang sammen med Qing Wang gjorde også banebrydende opdagelser i den elektrokaloriske effekt ved hjælp af afslappende polymerer, som giver mulighed for faststofkøling uden brug af skadelige gasser og bruger meget mindre energi end konventionel køling.

"Den nye forståelse af relaxor-adfærd ville åbne hidtil usete muligheder for os til at designe relaxor-ferroelektriske polymerer til en række energilagrings- og konverteringsapplikationer, " sagde Wang.

Deres arbejde, "Kiralitets-inducerede relaxoregenskaber i ferroelektriske polymerer, " dukker op i dag, 29. juni, i journalen Naturmaterialer .