Все сегнетоэлектрики обладают свойством, известным как пьезоэлектричество, при котором приложенная механическая сила может генерировать электрический ток, а приложенное электрическое поле может вызывать механическую реакцию. Сегнетоэлектрические материалы используются в самых разных отраслях промышленности: от ультразвука и гидролокаторов до конденсаторов, преобразователей, датчиков вибрации и сверхчувствительных инфракрасных камер. Теперь международная группа ученых во главе с Пенсильванским университетом, возможно, разрешила 30-летнюю загадку того, почему некоторые сегнетоэлектрические кристаллы демонстрируют чрезвычайно сильные пьезоэлектрические отклики.
В 1997 году Томас Р. Шраут, ныне старший научный сотрудник и профессор материаловедения и инженерии в Пенсильванском университете, и покойный Сын-Ик Парк сообщили о релаксорно-сегнетоэлектрическом кристалле твердого раствора с самым высоким из известных пьезоэлектрических откликов. Его пьезоэлектрический отклик в пять-десять раз выше, чем у любого другого известного сегнетоэлектрического материала.
«Был предложен ряд механизмов для объяснения его сверхвысоких пьезоэлектрических откликов, но ни один из них не дает удовлетворительного объяснения всем экспериментальным наблюдениям и измерениям, связанным с высоким откликом. Без четкого понимания основного механизма было бы трудно для разработки новых материалов с еще более высоким пьезоэлектрическим откликом», — сказал Фей Ли, постдокторант в области материаловедения и инженерии в Пенсильванском университете и ведущий автор недавней статьи в журнале Nature Communications , пытающейся объяснить это явление.
Однако научное сообщество пришло к общему мнению, что так называемые полярные нанообласти способствуют высокому пьезоотклику кристаллов-релаксоров, сказал Ли.
Полярная нанообласть — это пространственная область внутри кристалла. Он имеет наноразмер (5-10 нм) и обладает чистой электрической поляризацией. В кристалле-релаксоре имеется множество таких крошечных областей, хаотично распределенных в пространстве. Другие хорошо известные пьезоэлектрические материалы, такие как цирконат-титанат свинца (ЦТС), не имеют полярных нанообластей, но вместо этого имеют гораздо более крупные сегнетоэлектрические домены, в которых поляризация однородна. Команда намеревалась доказать, что полярные нанообласти действительно ответственны за огромные отклики, и, что более важно, определить механизм, с помощью которого они помогают генерировать такие огромные отклики.
Эксперименты проводились при сверхнизких криогенных температурах (50-150 К). Это позволило исследователям отделить отклики полярных нанообластей, которые остаются активными в этом диапазоне температур, от тех высоких пьезоэлектрических откликов, которые обычно имеют место вблизи сегнетоэлектрического фазового перехода.
«Мы экспериментально наблюдали значительное усиление пьезоэлектрического отклика релаксорно-сегнетоэлектрических кристаллов в диапазоне температур 50–150 К. Это усиление составляет 50–80% пьезоэлектричества при комнатной температуре», — сказал Шуцзюнь Чжан, старший автор и профессор материаловедение и инженерия в Пенсильванском университете (в настоящее время в Университете Вуллонгонга).
«Мы объяснили экспериментально наблюдаемое усиление существованием полярных нанообластей. Используя моделирование фазового поля, мы сначала доказали, что это значительное усиление возникло из-за полярных нанообластей, т.е. усиление отсутствует без присутствия этих полярных нанообластей, а затем продемонстрировали, как полярные нанообласти помогают генерировать сверхвысокие отклики», — сказал Лун-Цин Чен, старший автор и профессор материаловедения и инженерии Дональда Хамера в штате Пенсильвания. «Предлагаемый нами механизм способен успешно объяснить все экспериментальные измерения и наблюдения, связанные с высокими откликами. Эта работа является важным шагом в реализации мечты об открытии новых пьезоэлектрических материалов с помощью конструкции.
Предостережение
«Однако следует отметить, что предлагаемая нами модель представляет собой мезомасштабную модель, которая представляет собой промежуточный масштаб. Атомистическое происхождение PNR все еще остается открытым вопросом, поэтому необходимы дальнейшие углубленные исследования для выяснения вклада полярных нанообластей в Фактически, наша текущая работа сосредоточена на понимании механизмов атомного масштаба полярных нанообластей в пьезоэлектрических реакциях», — сказал Чен.
Дополнительная информация: Фей Ли и др. Происхождение сверхвысокого пьезоэлектричества в кристаллах релаксорно-сегнетоэлектрических твердых растворов, Nature Communications (2016). DOI: 10.1038/ncomms13807.
Информация журнала: Nature Communications
Предоставлено Университетом штата Пенсильвания.