Förmågan hos piezoelektriska material att omvandla mekanisk energi till elektrisk energi och vice versa gör dem användbara för olika tillämpningar från robotteknik till kommunikation till sensorer. En ny designstrategi för att skapa ultrahögpresterande piezoelektrisk keramik öppnar dörren till ännu mer fördelaktiga användningsområden för dessa material, enligt ett team av forskare från Penn State och Michigan Technological University.

"Under lång tid har piezoelektrisk polykristallin keramik visat begränsad piezoelektrisk respons i jämförelse med enkristaller", säger Shashank Priya, biträdande vicepresident för forskning och professor i materialvetenskap och teknik vid Penn State och medförfattare till studien som publicerades i tidskriften Advanced Science . "Det finns många mekanismer som begränsar storleken på piezoelektricitet i polykristallina keramiska material. I detta dokument visar vi en ny mekanism som gör att vi kan öka storleken på den piezoelektriska koefficienten flera gånger högre än vad som normalt förväntas för en keram."

Den piezoelektriska koefficienten, som beskriver nivån på ett materials piezoelektriska respons, mäts i picoculombs per Newton.

"Vi uppnådde nära 2 000 picocoulombs per Newton, vilket är ett betydande framsteg, för i polykristallin keramik har denna storlek alltid varit begränsad till cirka 1 000 picocoulombs per Newton," sa Priya. "2 000 ansågs vara ett ouppnåeligt mål i keramikvärlden, så att uppnå det antalet är väldigt dramatiskt."

Vägen till att upptäcka den nya mekanismen började med en fråga:Vilka faktorer styr storleken på den piezoelektriska konstanten? Den piezoelektriska konstanten är laddningen som genereras av en enhet för applicerad kraft, picoculomb per Newton, som i sin tur är beroende av effekter som uppstår på atomär till mesoskala.

"Vi undrade vad är några grundläggande effekter, nästan på atomär skala, av de grundläggande parametrarna som begränsar eller kontrollerar responsen?" sa Priya. "Genom att använda flerskalemodellen utvecklad vid Michigan Tech, som är en kombination av olika modelleringstekniker för att överbrygga längdskalan, genomförde vi en mycket detaljerad undersökning av två fenomen."

En var kemisk heterogenitet, som beskriver hur atomer av olika grundämnen i ett material är fördelade på nanoskala. Detta är viktigt eftersom de olika atompositionerna och de platser som de upptar är avgörande för piezoelektrisk respons. Den andra är anisotropi, inverkan av kristallografisk orientering. Detta är viktigt eftersom piezoelektriska egenskaper i ett material är högre längs en viss kristallografisk riktning.

"Föreställ dig att materialet är som en kub – en kub har olika axlar, en ansiktsdiagonal och en kroppsdiagonal, och så ändras piezoelektrisk respons i alla dessa olika riktningar," Yu U. Wang, professor i materialvetenskap och teknik, Michigan Technical Universitet, sa. "Och så visar vi att genom att rikta in alla korn i ett keramiskt material längs vissa kristallografiska axlar, kan vi få en mycket hög piezoelektrisk respons. Vi skapade en mycket hög mängd lokal heterogenitet och en mycket hög kornorientering i det keramiska materialet, och kombinationen av dessa två grundläggande styrparametrar ledde till hög piezoelektrisk respons i keramik."

Forskarna upptäckte att om du lägger till en liten mängd av det sällsynta jordartsmetallelementet europium till keramiken, kommer europiumet att uppta hörnet av det kubiska gittret. Detta skapar den kemiska heterogenitet i materialet som är nödvändig för en hög piezoelektrisk respons. Forskarna kunde ytterligare förstärka svaret genom att få 99% av kristallkornen orienterade.

Kombinationen av dessa två effekter har inte utforskats tidigare, enligt Yongke Yan, docent i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap och huvudförfattare i denna studie.

"Jag tror att den här mekanismen som vi kunde identifiera inte bara leder till förbättring utan leder till dramatisk förbättring och driver den nära idealvärdet, vilket är mycket högre än vad många skulle förvänta sig," sa Yan.

För att samla in nödvändiga data för att bevisa sitt koncept arbetade Priya och hans team med Dabin Lin, tidigare gästforskare vid Penn State's Materials Research Institute (MRI) och för närvarande lektor i fotoelektrisk teknik vid Xi'an Technological University i Kina, och Ke Wang, forskare inom MRT vid MRI:s materialkarakteriseringslaboratorium. Detta inkluderade insamling av transmissionselektronmikroskopdata genom att skanna de keramiska materialen, som de kombinerade med energidispersiv röntgenspektroskopi (EDS) tekniker. EDS kan avgöra vilka kemiska grundämnen som finns och gör det möjligt för forskare att "se" på singelatomnivå att europium finns i keramen på ett sätt som ger den den heterogenitet som krävs för hög piezoelektrisk respons.

Dessa fynd har potential att leda till förbättrade och till och med nya piezoelektriska material, med en mängd nya tillämpningar för ställdon och givare. Detta kan innebära bättre robotik, sensorer, transformatorer, ultraljudsmotorer och medicinsk teknik. Dessutom, eftersom den ultrahöga piezoelektriska keramen i studien kan bearbetas med traditionella flerskikts tillverkningsprocesser, skulle materialen vara kostnadseffektiva och skalbara.

"Människor drar nytta av elektronik, och de finns i så många saker, som robotar, mikroskop, transportsystem, alla personliga enheter med en skärm som en telefon, medicinsk utrustning som kroppsavbildning eller skanningsverktyg och till och med saker som används i rymdutforskning som robotar som kan operera utanför en rymdfarkost," sa Priya. "Alla dessa saker kan förbättras med ultrahög piezoelektrisk keramik." + Utforska vidare

En ny flexibel piezoelektrisk komposit för 3D-utskrift