Illustrazione fenomenologica e simulazione del campo di fase della piezoelettricità potenziata tramite l'eterogeneità strutturale locale e l'ingegneria delle texture. A) Energia libera di Landau di ferroelettrici con diversa frazione di volume dell'eterogeneità strutturale locale. B) Distribuzione di polarizzazione simulata in campo di fase di PMN-PT con eterogeneità del 5%. C) Diagramma schematico delle distribuzioni di orientamento del grano in policristalli casuali e testurizzati. D) Profili energetici liberi di Landau rispetto alla componente di polarizzazione Pz (normalizzato dalla polarizzazione satura Ps ) lungo la direzione di polarizzazione z per policristalli casuali e strutturati, dove l'inserto mostra il corrispondente d33 incremento. E) Distribuzione della polarizzazione simulata in campo di fase di [001]PC- policristallo PMN-PT testurizzato con eterogeneità del 5% (drogato) dopo il polo elettrico lungo la direzione z. F) Simulazione in campo di fase della polarizzazione residua Pr , permittività dielettrica ε33 , e coefficiente piezoelettrico longitudinale d33 per policristalli non drogati, drogati e drogati+strutturati. Nota:x, yez sono definiti nella "coordinata di laboratorio" mentre le direzioni etichettate con parentesi quadre sono definite nella "coordinata cristallografica" e z è la direzione di polarizzazione che coincide con [001] per [001] PC- policristallo strutturato nelle nostre simulazioni. Credito:Scienze avanzate (2022). DOI:10.1002/advs.202105715
La capacità dei materiali piezoelettrici di convertire l'energia meccanica in energia elettrica e viceversa li rende utili per varie applicazioni dalla robotica alla comunicazione ai sensori. Secondo un team di ricercatori della Penn State e della Michigan Technological University, una nuova strategia di progettazione per la creazione di ceramiche piezoelettriche ad altissime prestazioni apre le porte a usi ancora più vantaggiosi per questi materiali.
"Per molto tempo, le ceramiche piezoelettriche policristalline hanno mostrato una risposta piezoelettrica limitata rispetto ai cristalli singoli", ha affermato Shashank Priya, vicepresidente associato per la ricerca e professore di scienza dei materiali e ingegneria alla Penn State e coautore dello studio pubblicato nel rivista Scienze avanzate . "Esistono molti meccanismi che limitano l'entità della piezoelettricità nei materiali ceramici policristallini. In questo documento, dimostriamo un nuovo meccanismo che ci consente di aumentare l'entità del coefficiente piezoelettrico diverse volte rispetto a quanto normalmente previsto per una ceramica".
Il coefficiente piezoelettrico, che descrive il livello della risposta piezoelettrica di un materiale, è misurato in picocoulomb per Newton.
"Abbiamo raggiunto quasi 2.000 picocoulomb per Newton, il che è un progresso significativo, perché nella ceramica policristallina, questa grandezza è sempre stata limitata a circa 1.000 picocoulomb per Newton", ha affermato Priya. "2.000 era considerato un obiettivo irraggiungibile nella comunità della ceramica, quindi raggiungere quel numero è molto drammatico".
Il percorso per scoprire il nuovo meccanismo è iniziato con una domanda:quali fattori controllano l'entità della costante piezoelettrica? La costante piezoelettrica è la carica generata da un'unità di forza applicata, picocoulomb per Newton, che a sua volta dipende dagli effetti che si verificano su scala atomica e meso.
"Ci siamo chiesti quali sono alcuni effetti di base, quasi su scala atomica, dei parametri fondamentali che limitano o controllano la risposta?" ha detto Priya. "Utilizzando il modello multiscala sviluppato presso la Michigan Tech, che è una combinazione di diverse tecniche di modellazione per colmare la scala delle lunghezze, abbiamo condotto un'indagine molto dettagliata su due fenomeni".
Uno era l'eterogeneità chimica, che descrive come gli atomi di diversi elementi in un materiale sono distribuiti su scala nanometrica. Questo è importante perché le diverse posizioni atomiche e i siti che occupano sono fondamentali per la risposta piezoelettrica. Il secondo è l'anisotropia, l'influenza dell'orientamento cristallografico. Questo è importante perché le proprietà piezoelettriche in un materiale sono maggiori lungo una certa direzione cristallografica.
"Immagina che il materiale sia come un cubo:un cubo ha assi diversi, una diagonale della faccia e una diagonale del corpo, e quindi la risposta piezoelettrica cambia in tutte queste diverse direzioni", Yu U. Wang, professore di scienze dei materiali e ingegneria, Michigan Technical Università, ha detto. "E così, dimostriamo che allineando tutti i grani in un materiale ceramico lungo determinati assi cristallografici, possiamo ottenere una risposta piezoelettrica molto elevata. Abbiamo creato una quantità molto elevata di eterogeneità locale e un orientamento del grano molto elevato nel materiale ceramico, e la combinazione di questi due parametri di controllo di base ha portato a un'elevata risposta piezoelettrica nella ceramica".
I ricercatori hanno scoperto che se si aggiunge una piccola quantità dell'elemento delle terre rare europio alla ceramica, l'europio occuperà l'angolo del reticolo cubico. Ciò crea l'eterogeneità chimica nel materiale necessaria per un'elevata risposta piezoelettrica. I ricercatori sono stati in grado di amplificare ulteriormente la risposta orientando il 99% dei grani di cristallo.
La combinazione di questi due effetti non è stata esplorata prima, secondo Yongke Yan, professore di ricerca associato in scienze dei materiali e ingegneria e autore principale di questo studio.
"Penso che questo meccanismo che siamo stati in grado di identificare non solo porti a un miglioramento, ma porti a un miglioramento drammatico e lo spinga vicino al valore ideale, che è molto più alto di quello che molte persone si aspetterebbero", ha detto Yan.
Per raccogliere i dati necessari per dimostrare il loro concetto, Priya e il suo team hanno lavorato con Dabin Lin, ex visiting scholar presso il Materials Research Institute (MRI) di Penn State e attualmente docente di ingegneria fotoelettrica presso la Xi'an Technological University in Cina, e Ke Wang, scienziato del personale della risonanza magnetica nel laboratorio di caratterizzazione dei materiali della risonanza magnetica. Ciò includeva la raccolta di dati del microscopio elettronico a trasmissione mediante la scansione dei materiali ceramici, che hanno combinato con le tecniche di spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS). L'EDS può determinare quali elementi chimici sono presenti e consente ai ricercatori di "vedere" a livello di singolo atomo che l'europio è presente nella ceramica in un modo che le conferisce l'eterogeneità necessaria per un'elevata risposta piezoelettrica.
Questi risultati hanno il potenziale per portare a materiali piezoelettrici migliorati e persino nuovi, con una varietà di nuove applicazioni di attuatori e trasduttori. Ciò potrebbe significare una migliore robotica, sensori, trasformatori, motori a ultrasuoni e tecnologie mediche. Inoltre, poiché le ceramiche piezoelettriche ultraelevate oggetto dello studio possono essere lavorate utilizzando i tradizionali processi di produzione multistrato, i materiali sarebbero economici e scalabili.
"Le persone traggono vantaggio dall'elettronica e sono presenti in così tante cose, come robot, microscopi, sistemi di trasporto, qualsiasi dispositivo personale con uno schermo come un telefono, dispositivi medici come strumenti di imaging o scansione del corpo e persino oggetti utilizzati in esplorazione dello spazio come robot che potrebbero operare al di fuori di un veicolo spaziale", ha detto Priya. "Tutte queste cose possono essere migliorate con ceramiche piezoelettriche ultraelevate". + Esplora ulteriormente
