Блог

Jan 27, 2024

Обнаружена прозрачность в кристаллах со сверхвысоким пьезоэлектричеством

Прозрачный кристалл пьезоэлектрического материала по сравнению с кристаллами, которые были

Прозрачный кристалл пьезоэлектрического материала по сравнению с кристаллами, обработанными электрическими полями переменного или постоянного тока. Фото: Бо Ван, Пенсильвания. Все права защищены.

15 января 2020 г.

Андреа Элиз Мессер

УНИВЕРСИТЕТ-ПАРК, Пенсильвания — Использование переменного, а не постоянного электрического поля может улучшить пьезоэлектрический отклик кристалла. Теперь международная группа исследователей утверждает, что циклы полей переменного тока также увеличивают внутренние кристаллические домены в некоторых материалах и делают кристалл прозрачным.

«Были сообщения о том, что использование полей переменного тока может значительно улучшить пьезоэлектрические отклики — например, на 20–40% — по сравнению с полями постоянного тока, и эти улучшения всегда объяснялись меньшими размерами внутренних сегнетоэлектрических доменов, которые возникли в результате циклов Поля переменного тока», — сказал Лун-Цин Чен, профессор материаловедения и инженерии Хамера, профессор инженерных наук и механики и профессор математики в Пенсильванском университете. «Около трех лет назад доктор Фей Ли, в то время научный сотрудник Института исследования материалов в штате Пенсильвания, в значительной степени подтвердил улучшение пьезоэлектрических характеристик от применения полей переменного тока. Однако было совершенно неясно, как внутренние сегнетоэлектрические домены развивались во время циклов переменного тока.

«Наша группа занимается в основном компьютерным моделированием, и более года назад мы начали изучать, что происходит с внутренними доменными структурами, если мы прикладываем переменные поля к сегнетоэлектрическому пьезоэлектрическому кристаллу. Нам очень любопытно, как доменные структуры развиваются во время циклов переменного тока. Наше компьютерное моделирование и теоретические расчеты действительно показали улучшенный пьезоэлектрический отклик, но наше моделирование также продемонстрировало, что размеры сегнетоэлектрических доменов фактически увеличиваются во время циклов переменного тока, а не уменьшаются, как сообщается в литературе».

Пьезоэлектрические материалы генерируют электрические заряды при приложении механической силы и деформируются или меняют форму при приложении электрического поля. Исследователи исследовали ниобат свинца-магния-титанат свинца — PMN-PT — коммерчески доступный пьезоэлектрический материал. Результаты вычислений оказались неожиданными, поскольку большинство людей в пьезоэлектрическом сообществе считают, что чем меньше домены, тем выше пьезоэлектрический отклик.

До выравнивания диполей или поляризации кристалла PMN-PT с помощью электрического поля существует множество крошечных доменов с поляризацией в разных направлениях. Когда к кристаллу прикладывают циклы переменного электрического поля, домены перестраиваются, становясь все меньше и больше. После нескольких циклов переменного тока домены становятся большими и располагаются слоями. Фото: Лун-Цин Чен, штат Пенсильвания.

Домены внутри кристалла — это области, внутри которых электрические диполи или электрическая поляризация располагаются в одном направлении. До выравнивания диполей или поляризации кристалла PMN-PT с помощью электрического поля существует множество крошечных доменов с поляризацией в разных направлениях. Когда к кристаллу прикладывают циклы переменного электрического поля, домены перестраиваются, становясь все меньше и больше. После нескольких циклов переменного тока домены становятся большими и располагаются слоями.

«Результаты моделирования противоречили сообщениям в литературе», — сказал Чен. «Нам нужно было копнуть глубже, чтобы увидеть, согласуется ли реальность с результатами нашего моделирования».

Затем исследователи из Сианьского университета Цзяотун в Китае вырастили свои собственные кристаллы PMN-PT и тщательно исследовали конфигурации доменов в своих образцах, используя различные экспериментальные методы определения характеристик в различных условиях циклирования переменного тока. Они подтвердили вычислительные предсказания штата Пенсильвания о том, что домены действительно становятся больше во время циклов переменного тока.

Больший размер домена и особая слоевая доменная структура также позволяют предположить, что луч света, попадающий на кристалл, будет беспрепятственно проникать насквозь — кристалл будет прозрачным. Кристаллы не только обладают сверхвысокой пьезоэлектричностью, но и обладают высокой прозрачностью после тщательной полировки поверхности. Раньше подобные кристаллы всегда были непрозрачными.