Ultrahøj piezoelektrisk ydeevne demonstreret i keramiske materialer

Piezoelektriske materialers evne til at omdanne mekanisk energi til elektrisk energi og omvendt gør dem nyttige til forskellige applikationer fra robotteknologi til kommunikation til sensorer. En ny designstrategi til at skabe ultrahøjtydende piezoelektrisk keramik åbner døren til endnu mere gavnlige anvendelser af disse materialer, ifølge et team af forskere fra Penn State og Michigan Technological University.

"I lang tid har piezoelektrisk polykrystallinsk keramik vist begrænset piezoelektrisk respons sammenlignet med enkeltkrystaller," sagde Shashank Priya, associeret vicepræsident for forskning og professor i materialevidenskab og teknik ved Penn State og medforfatter af undersøgelsen offentliggjort i tidsskrift Advanced Science . "Der er mange mekanismer, der begrænser størrelsen af ​​piezoelektricitet i polykrystallinske keramiske materialer. I dette papir demonstrerer vi en ny mekanisme, der giver os mulighed for at øge størrelsen af ​​den piezoelektriske koefficient flere gange højere, end det normalt forventes for en keramik."

Den piezoelektriske koefficient, som beskriver niveauet af et materiales piezoelektriske respons, måles i picoculombs pr. Newton.

"Vi opnåede tæt på 2.000 picocoulombs pr. Newton, hvilket er et betydeligt fremskridt, for i polykrystallinsk keramik har denne størrelse altid været begrænset til omkring 1.000 picocoulombs pr. Newton," sagde Priya. "2.000 blev betragtet som et uopnåeligt mål i keramikmiljøet, så det er meget dramatisk at nå det antal."

Vejen til at opdage den nye mekanisme begyndte med et spørgsmål:Hvilke faktorer styrer størrelsen af ​​den piezoelektriske konstant? Den piezoelektriske konstant er ladningen genereret af en enhed for påført kraft, picoculomb per Newton, som igen er afhængig af virkninger, der forekommer på atom- til mesoskala.

"Vi spekulerede på, hvad der er nogle grundlæggende virkninger, næsten på atomær skala, af de grundlæggende parametre, der begrænser eller kontrollerer responsen?" sagde Priya. "Ved at bruge multiskalamodellen udviklet på Michigan Tech, som er en kombination af forskellige modelleringsteknikker til at bygge bro over længdeskalaen, udførte vi en meget detaljeret undersøgelse af to fænomener."

Den ene var kemisk heterogenitet, som beskriver, hvordan atomer af forskellige grundstoffer i et materiale er fordelt på nanoskala. Dette er vigtigt, fordi de forskellige atompositioner og de steder, de optager, er kritiske for piezoelektrisk respons. Den anden er anisotropi, indflydelsen af ​​krystallografisk orientering. Dette er vigtigt, fordi piezoelektriske egenskaber i et materiale er højere langs en bestemt krystallografisk retning.

"Forestil dig, at materialet er som en terning - en terning har forskellige akser, en ansigtsdiagonal og en kropsdiagonal, og så ændrer piezoelektrisk respons på tværs af alle disse forskellige retninger," Yu U. Wang, professor i materialevidenskab og teknik, Michigan Technical Universitetet, sagde. "Og så viser vi, at ved at justere alle kornene i et keramisk materiale langs visse krystallografiske akser, kan vi få en meget høj piezoelektrisk respons. Vi skabte en meget høj mængde lokal heterogenitet og en meget høj kornorientering i det keramiske materiale, og kombinationen af ​​disse to grundlæggende kontrollerende parametre førte til høj piezoelektrisk respons i keramik."

Forskerne opdagede, at hvis du tilføjer en lille mængde af det sjældne jordarters element europium til keramikken, vil europium optage hjørnet af det kubiske gitter. Dette skaber den kemiske heterogenitet i materialet, som er nødvendig for en høj piezoelektrisk respons. Forskerne var i stand til at forstærke responsen yderligere ved at få 99% af krystalkornene orienteret.

Kombinationen af ​​disse to effekter er ikke blevet undersøgt før, ifølge Yongke Yan, lektor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab og hovedforfatter i denne undersøgelse.

"Jeg tror, ​​at denne mekanisme, som vi var i stand til at identificere, ikke kun fører til forbedring, men fører til dramatisk forbedring og skubber den tæt på ideel værdi, hvilket er meget højere end hvad mange mennesker ville forvente," sagde Yan.

For at indsamle de nødvendige data for at bevise deres koncept arbejdede Priya og hans team sammen med Dabin Lin, tidligere gæsteforsker ved Penn State's Materials Research Institute (MRI) og i øjeblikket underviser i fotoelektrisk teknik ved Xi'an Technological University i Kina, og Ke Wang, MRI-medarbejder i MRI's Materials Characterization Lab. Dette omfattede indsamling af transmissionselektronmikroskopdata ved at scanne de keramiske materialer, som de kombinerede med energidispersiv røntgenspektroskopi (EDS) teknikker. EDS kan bestemme, hvilke kemiske grundstoffer der er til stede og gør det muligt for forskere at "se" på enkeltatomniveau, at europium er til stede i keramikken på en måde, der giver det den heterogenitet, der er nødvendig for høj piezoelektrisk respons.

Disse resultater har potentiale til at føre til forbedrede og endda nye piezoelektriske materialer med en række nye aktuator- og transducerapplikationer. Dette kan betyde bedre robotteknologi, sensorer, transformere, ultralydsmotorer og medicinske teknologier. Da den ultrahøje piezoelektriske keramik i undersøgelsen kan behandles ved hjælp af traditionelle flerlagsfremstillingsprocesser, ville materialerne desuden være omkostningseffektive og skalerbare.

"Folk har gavn af elektronik, og de er til stede i så mange ting, såsom robotter, mikroskoper, transportsystemer, enhver personlig enhed med en skærm såsom en telefon, medicinsk udstyr såsom kropsbilleddannelse eller scanningsværktøjer og endda ting, der bruges i rumudforskning som robotter, der kan operere uden for et rumfartøj," sagde Priya. "Alle disse ting kan forbedres med ultrahøj piezoelektrisk keramik." + Udforsk yderligere

En ny fleksibel piezoelektrisk komposit til 3D-print