Piezoelektrik är material som ändrar form när ett elektriskt fält appliceras, med omfattande applikationer inklusive tryckfärg på papper och exakt flyttning av spetsen av ett skanningstunnelmikroskop. För närvarande, den mest effektiva piezoelektriken är de i enkristallform, eftersom de har ett stort elektrotöjningsvärde (> 1 procent), vilket är ett tecken på hur mycket materialet kan ändra sin form när det elektriska fältet appliceras. Dock, de är mycket dyra och svåra att tillverka. Keramisk piezoelektrik, består av flera små kristaller, är minst hundra gånger billigare och enkla att masstillverka, men de har vanligtvis mycket låga elektrotöjningsvärden.

För första gången, forskare vid Indian Institute of Science (IISc) har designat ett keramiskt material som kan uppnå ett elektrotöjningsvärde på 1,3 procent – ​​det högsta för en keramik hittills och det närmast rekordet som enkristaller har satt.

"Processen att göra keramik liknar den att göra tegelstenar, " säger Rajeev Ranjan, Docent, Institutionen för materialteknik, IISc, som ledde studien. "Detta kan ge aktuator- och givareindustrin möjlighet att välja material som är mycket billigare än enkristaller för avancerade applikationer."

Studien publicerades i Naturmaterial .

Naturmaterial som kvarts, när de skärs som enkristaller, kan komprimera eller expandera automatiskt när spänning appliceras. Dock, deras tillverkning är kostsam och komplicerad. Sedan 1950-talet, fokus har flyttats mot billigare ferroelektriskt baserade keramiska blandmetalloxider. Dessa keramer visar inte piezoelektricitet i sin förberedda form, men kan göras till genom att applicera en stark spänning.

När ett elektriskt fält appliceras på ett piezoelektriskt material - kristall eller keramik - utvecklar det en spänning, en kvalitet som mäts av hur mycket dess längd förändras i proportion till dess ursprungliga dimension. Ju större påkänning som kan induceras i materialet, desto bättre, speciellt för tillämpningar som ultraljudsgenerering i medicinsk bildutrustning. Det högsta värdet av denna elektrotöjning som hittills uppnåtts är 1,7 procent i enkristaller av en speciell typ av blybaserade material som kallas relaxor ferroelektriska ämnen. Än så länge, forskare har inte kunnat designa keramik med liknande eller nära elektrotöjningsvärden.

Ett keramiskt material är vanligtvis en blandad massa av små, slumpmässigt orienterade metalloxidkristaller som kallas korn. När spänning appliceras, lokala regioner som kallas domäner inom varje korn försöker orientera sig i riktningen mot det applicerade fältet, får kornet att ändra form. I vilken utsträckning ett korn ändrar form beror på en inneboende egenskap som kallas "spontan lattice strain". Ju större denna spontana stam, desto mer kan spannmålen deformeras under ett elektriskt fält. Den elektropåkänning som ses i ett keramiskt piezoelektriskt material representerar summan av förlängningarna av alla flera tusen korn.

Dock, de flesta piezoelektriska keramik har en nackdel:när spänningen är avstängd, domänerna förblir fast i sin nya konfiguration, fastnat av defekter i materialet, och inte kan återgå till sitt ursprungliga tillstånd. Detta betyder att när spänning appliceras en andra eller tredje gång, elektrobelastningen minskar drastiskt.

Därför, ett idealiskt piezokeramiskt material bör inte bara ha en stor spontan gallertöjning, men också en reversibel rörelse av domäner.

För att utveckla ett sådant material, Ranjan och hans team förberedde först en fast lösning av föreningarna BiFeO ₃ och PbTiO ₃ som hade en stor spontan gittertöjning. Eftersom domänerna i detta material var orörliga, de modifierade det kemiskt genom att lägga till olika mängder av grundämnet lantan för att få domänerna att röra sig. Vid en viss kritisk koncentration av lantan, domänerna kunde växla tillbaka till sitt ursprungliga tillstånd när spänningen stängdes av.

"Vårt material kan därför liknas vid ett gummi som kan förlängas flera gånger varje gång vi stretchar, säger Ranjan.

Vid denna koncentration av lantan, materialet visade också ett elektrotöjningsvärde på 1,3 procent, nästan dubbelt så högt som rapporterats för en keramik hittills. Värdet förblev detsamma varje gång spänning applicerades. Vid närmare granskning, materialet visade egenskaper i nanoskala som liknade den högpresterande relaxor-ferroelektriken.

"Vår demonstration att elektrotöjning av så stor omfattning kan realiseras även i keramik kommer sannolikt att stimulera forskare att leta efter fler nya material, säger Ranjan.