Новый керамический материал может снизить стоимость пьезоэлектрических устройств
Пьезоэлектричество - это материалы, изменяющие свою форму при приложении электрического поля, с широким спектром применений, включая печатную краску на бумаге и точное перемещение кончика сканирующего туннельного микроскопа. В настоящее время наиболее эффективными пьезоэлектриками являются монокристаллические формы, поскольку они имеют большое значение электростатического напряжения. Однако они очень дороги и сложны в изготовлении. Керамические пьезоэлектрики, состоящие из нескольких крошечных кристаллов в сотни раз дешевле и легче, но обычно имеют очень низкие значения электростатического напряжения.
Впервые исследователи из Индийского института науки (IISc) разработали керамический материал, способный достичь электростатического значения 1,3% - самого высокого для керамики на сегодняшний день и самого близкого к рекордному, установленного монокристаллами.
Керамический материал, как правило, представляет собой разнообразную массу мелких, случайно ориентированных кристаллов оксидов металлов, называемых зернами. Когда применяется напряжение, локальные области, называемые доменами внутри каждого зерна, пытаются ориентироваться в направлении приложенного поля, побуждая зерно изменять его форму. Степень изменения формы зерна зависит от присущего свойства, называемого «спонтанная деформация решетки». Чем больше это спонтанное напряжение, тем больше зерно может деформироваться под электрическим полем.
Однако большинство пьезоэлектрических керамик имеют недостаток: когда напряжение отключено, домены остаются в новой конфигурации, закреплены дефектами материала и не могут вернуться в исходное состояние. Это означает, что когда напряжение подается в течение второго или третьего времени, электростатический ток резко уменьшается. Поэтому идеальный пьезокерамический материал должен иметь не только большую спонтанную деформацию решетки, но и обратимое движение доменов.
Чтобы разработать такой материал, Ранджан и его команда вначале подготовили твердый раствор соединений BiFeO3 и PbTiO3. Поскольку домены в этом материале были неподвижными, они химически модифицировали его путем добавления различных количеств элемента лантана для перемещения доменов. При определенной критической концентрации лантана домены могли вернуться в исходное состояние, когда напряжение было отключено.
При этой концентрации лантана материал также показал электростатическое значение 1,3%, что почти вдвое больше, чем было указано для керамики. Значение оставалось неизменным при каждом применении напряжения. При ближайшем рассмотрении материал показал наноразмерные свойства, которые были похожи на высокоэффективные релаксорные сегнетоэлектрики.
Демонстрация того, что электросталь такой большой величины может быть реализована даже в керамике, скорее всего, побудит ученых искать новые материалы, считают авторы исследования.
Впервые исследователи из Индийского института науки (IISc) разработали керамический материал, способный достичь электростатического значения 1,3% - самого высокого для керамики на сегодняшний день и самого близкого к рекордному, установленного монокристаллами.
Керамический материал, как правило, представляет собой разнообразную массу мелких, случайно ориентированных кристаллов оксидов металлов, называемых зернами. Когда применяется напряжение, локальные области, называемые доменами внутри каждого зерна, пытаются ориентироваться в направлении приложенного поля, побуждая зерно изменять его форму. Степень изменения формы зерна зависит от присущего свойства, называемого «спонтанная деформация решетки». Чем больше это спонтанное напряжение, тем больше зерно может деформироваться под электрическим полем.
Однако большинство пьезоэлектрических керамик имеют недостаток: когда напряжение отключено, домены остаются в новой конфигурации, закреплены дефектами материала и не могут вернуться в исходное состояние. Это означает, что когда напряжение подается в течение второго или третьего времени, электростатический ток резко уменьшается. Поэтому идеальный пьезокерамический материал должен иметь не только большую спонтанную деформацию решетки, но и обратимое движение доменов.
Чтобы разработать такой материал, Ранджан и его команда вначале подготовили твердый раствор соединений BiFeO3 и PbTiO3. Поскольку домены в этом материале были неподвижными, они химически модифицировали его путем добавления различных количеств элемента лантана для перемещения доменов. При определенной критической концентрации лантана домены могли вернуться в исходное состояние, когда напряжение было отключено.
При этой концентрации лантана материал также показал электростатическое значение 1,3%, что почти вдвое больше, чем было указано для керамики. Значение оставалось неизменным при каждом применении напряжения. При ближайшем рассмотрении материал показал наноразмерные свойства, которые были похожи на высокоэффективные релаксорные сегнетоэлектрики.
Демонстрация того, что электросталь такой большой величины может быть реализована даже в керамике, скорее всего, побудит ученых искать новые материалы, считают авторы исследования.
