Alla ferroelektriska material har en egenskap som kallas piezoelektricitet där en applicerad mekanisk kraft kan generera en elektrisk ström och ett applicerat elektriskt fält kan framkalla en mekanisk respons. Ferroelektriska material används i en mängd olika industriella tillämpningar, från ultraljud och ekolod till kondensatorer, givare, vibrationssensorer och ultrakänsliga infraröda kameror. Nu, ett internationellt team av forskare ledda av Penn State kan ha löst den 30-åriga gåtan om varför vissa ferroelektriska kristaller uppvisar extremt starka piezoelektriska svar.

1997, en relaxor-ferroelektrisk fast lösningskristall med den högsta kända piezoelektriska responsen rapporterades i Penn State av Thomas R. Shrout, för närvarande senior vetenskapsman och professor i materialvetenskap och teknik vid Penn State, och den sena Seung-Eek Park. Den har en piezoelektrisk respons fem till tio gånger högre än något annat känt ferroelektriskt material.

"Det har föreslagits ett antal mekanismer för att förklara dess ultrahöga piezoelektriska svar, men ingen av dem ger en tillfredsställande förklaring till alla experimentella observationer och mätningar som är förknippade med den höga responsen. Utan en fast förståelse av den underliggande mekanismen, det skulle vara svårt att designa nya material med ännu högre piezoelektrisk respons, sa Fei Li, en postdoktor i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap vid Penn State och huvudförfattare till en ny artikel i tidskriften Naturkommunikation försöker förklara fenomenet.

Dock, det vetenskapliga samfundet har nått en allmän konsensus om att något som kallas polära nanoregioner bidrog till den höga piezoresponsen hos relaxorkristaller, sa Li.

En polär nanoregion är en rumslig region i en kristall. Den har en storlek i nanoskala (5-10 nm) och har en elektrisk nettopolarisation. Det finns många sådana små regioner slumpmässigt fördelade i rymden i en relaxorkristall. Andra välkända piezoelektriska material, som blyzirkonattitanat (PZT), inte har polära nanoregioner, men har istället mycket större ferroelektriska domäner där polarisationen är enhetlig. Teamet försökte bevisa att de polära nanoregionerna verkligen var ansvariga för de enorma svaren, och ännu viktigare, att bestämma mekanismen genom vilken de hjälper till att generera så enorma svar.

Experimenten utfördes vid ultralåga kryogena temperaturer (50-150 K). Detta gjorde det möjligt för forskarna att separera svaren från de polära nanoregionerna, som förblir aktiva inom det temperaturintervallet, från de höga piezoelektriska svaren som typiskt äger rum nära en ferroelektrisk fasövergång.

"Vi observerade experimentellt en signifikant förbättring av det piezoelektriska svaret hos relaxor-ferroelektriska kristaller i temperaturområdet 50-150 K. Denna förbättring står för 50-80% av piezoelektriciteten i rumstemperatur, " sa Shujun Zhang, en senior författare och professor i materialvetenskap och ingenjörskonst vid Penn State (för närvarande vid University of Wollongong).

"Vi tillskrev den experimentellt observerade förbättringen till existensen av de polära nanoregionerna. Med hjälp av fasfältsmodellering, Vi visade först att denna betydande förbättring härrörde från de polära nanoregionerna, dvs. förbättringen är frånvarande utan närvaron av dessa polära nanoregioner, och visade sedan hur de polära nanoregionerna hjälper till att generera ultrahöga svar, sa Long-Qing Chen, en senior författare och Donald Hamer professor i materialvetenskap och teknik, Penn State. "Vår föreslagna mekanism kan framgångsrikt förklara alla experimentella mätningar och observationer som är förknippade med de höga svaren. Detta arbete är ett viktigt steg för att förverkliga drömmen om att upptäcka nya piezoelektriska material genom design.

En varning

"Dock, det bör noteras att vår föreslagna modell är en modell i mesoskala, som är en mellanskala. PNR:s atomistiska ursprung är fortfarande en öppen fråga, så ytterligare djupgående forskning krävs fortfarande för att klargöra bidraget från polära nanoregioner på atomär skala. Och faktiskt, vårt pågående arbete är fokuserat på att förstå mekanismerna i atomär skala för polära nanoregioner i piezoelektriska svar, " sa Chen.