Todos los materiales ferroeléctricos poseen una propiedad conocida como piezoelectricidad en la cual una fuerza mecánica aplicada puede generar una corriente eléctrica y un campo eléctrico aplicado puede provocar una respuesta mecánica. Los materiales ferroeléctricos se usan en una amplia variedad de aplicaciones industriales, desde ultrasonidos y sonar hastacondensadores, transductores, sensores de vibración y cámaras infrarrojas ultrasensibles. Ahora, un equipo internacional de científicos dirigido por Penn State puede haber resuelto el enigma de 30 años de por qué ciertos cristales ferroeléctricos exhiben respuestas piezoeléctricas extremadamente fuertes.
En 1997, Thomas R. Shrout, actualmente científico sénior y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Penn State, y el fallecido Parque Seung-Eek informaron sobre un cristal de solución sólida ferroeléctrico relajante con la respuesta piezoeléctrica más alta conocida en Penn State.Tiene una respuesta piezoeléctrica de cinco a diez veces mayor que cualquier otro material ferroeléctrico conocido.
"Se han propuesto varios mecanismos para explicar sus respuestas piezoeléctricas ultraaltas, pero ninguna de ellas ofrece una explicación satisfactoria para todas las observaciones y mediciones experimentales asociadas con la alta respuesta. Sin una comprensión firme del mecanismo subyacente, seríaserá difícil diseñar nuevos materiales con una respuesta piezoeléctrica aún mayor ", dijo Fei Li, un académico postdoctoral en ciencia e ingeniería de materiales en Penn State y autor principal de un artículo reciente en la revista Comunicaciones de la naturaleza intentando explicar el fenómeno
Sin embargo, la comunidad científica ha alcanzado un consenso general de que algo llamado nanorregiones polares contribuyó a la alta respuesta piezoeléctrica de los cristales relajantes, dijo Li.
Una nanorregión polar es una región espacial dentro de un cristal. Tiene un tamaño a nanoescala 5-10 nm y posee una polarización eléctrica neta. Hay muchas regiones diminutas distribuidas aleatoriamente en el espacio en un cristal relajante. Otros bien conocidosLos materiales piezoeléctricos, como el titanato de circonato de plomo PZT, no tienen nanorregiones polares, sino dominios ferroeléctricos mucho más grandes en los que la polarización es uniforme. El equipo se propuso demostrar que las nanorregiones polares eran realmente responsables de las enormes respuestas, ylo que es más importante, determinar el mecanismo por el cual ayudan a generar respuestas tan grandes.
Los experimentos se llevaron a cabo a temperaturas criogénicas ultrabajas 50-150 K. Esto permitió a los investigadores separar las respuestas de las nanorregiones polares, que permanecen activas dentro de ese rango de temperatura, de las respuestas piezoeléctricas altas que generalmente tienen lugar cerca de untransición de fase ferroeléctrica.
"Observamos experimentalmente una mejora significativa de la respuesta piezoeléctrica de los cristales relajantes-ferroeléctricos en el rango de temperatura de 50-150 K. Esta mejora representa el 50-80% de la piezoelectricidad a temperatura ambiente", dijo Shujun Zhang, autor principal yprofesor de ciencia e ingeniería de materiales en Penn State actualmente en la Universidad de Wollongong.
"Atribuimos la mejora observada experimentalmente a la existencia de las nanorregiones polares. Utilizando el modelado de campo de fase, primero probamos que esta mejora significativa se originó a partir de las nanorregiones polares, es decir, la mejora está ausente sin la presencia de estas nano-regiones polares,y luego demostró cómo las nanorregiones polares ayudan a generar respuestas ultraaltas ", dijo Long-Qing Chen, autor principal y profesor de ciencia e ingeniería de materiales de Donald Hamer, Penn State." Nuestro mecanismo propuesto puede explicar con éxito todas las mediciones y observaciones experimentales.asociado con las altas respuestas. Este trabajo es un paso importante para hacer realidad el sueño de descubrir nuevos materiales piezoeléctricos por diseño.
una nota de precaución
"Sin embargo, debe tenerse en cuenta que nuestro modelo propuesto es un modelo de mesoescala, que es una escala intermedia. El origen atomístico de los PNR sigue siendo una pregunta abierta, por lo que aún se requiere una investigación más profunda para aclarar la contribución de polarnanorregiones a escala atómica. Y de hecho, nuestro trabajo continuo se centra en comprender los mecanismos a escala atómica de las nanorregiones polares en las respuestas piezoeléctricas ", dijo Chen.
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Materiales proporcionado por Instituto de Investigación de Materiales de Penn State . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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