(Phys.org)—Den piezoelektriska effekten, som får ett material att expandera i riktningen för ett pålagt elektriskt fält, är vanligt i många material och används i en mängd olika tekniker, från medicinskt ultraljud till vibrationsdriven elektronik. Men den negativa piezoelektriska effekten, där ett material drar ihop sig snarare än expanderar i det pålagda elektriska fältets riktning, har ansetts vara en sällsynt och kontraintuitiv anomali, och har fått lite uppmärksamhet.

Nu i en ny tidning publicerad i Fysiska granskningsbrev , fysikerna Shi Liu och R.E. Cohen vid Carnegie Institute for Science i Washington, D.C., har identifierat 93 material som uppvisar den negativa piezoelektriska effekten, visar att det är mycket vanligare än man tidigare trott. De undersökte också ursprunget till den negativa piezoelektriska effekten, vilket kan leda till utvecklingen av nya piezoelektriska enheter.

"Den negativa longitudinella piezoelektriska effekten var inte väl undersökt tidigare, " berättade Cohen Phys.org . "Vårt papper är det första arbetet med att genomföra en systematisk undersökning av mekanismen för den negativa piezoelektriska effekten. Genom att dra fördel av den välkurerade materialdatabasen med öppen källkod som är värd för Materials Project, vi kan snabbt identifiera nästan 100 material som innehar detta ovanliga svar bokstavligen inom några minuter. Detta arbete belyser hur detaljerade kvantmekaniska beräkningar och materialinformatik kan samverka för att påskynda materialupptäckt och design."

Som forskarna förklarade, piezoelektricitet innehåller två komponenter:ett inspänt jonbidrag, som är rent elektroniskt, och ett bidrag från interna påfrestningar, som härrör från mikroskopiska atomavslappningar.

I den nya studien, fysikerna upptäckte att den viktigaste skillnaden mellan konventionella och negativa piezoelektriska material är vilket bidrag som är större. I konventionell piezoelektrik, bidraget från den interna spänningen dominerar, medan i negativ piezoelektrik dominerar klämjonresponsen, vilket indikerar närvaron av starka jonbindningar och små atomära relaxationer i dessa material.

Forskarna sökte sedan i en befintlig databas med nästan 1 000 piezoelektriska material och identifierade 93 föreningar som innehöll en dominerande klämd jonkomponent, markerar dem som negativ piezoelektrik.

I sin analys, fysikerna upptäckte också en annan ovanlig egenskap hos negativa piezoelektriska material, vilket är att högt tryck förbättrar deras ferroelektricitet. Detta är motsatsen till vad som observeras i konventionella piezoelektriska material, där höga tryck orsakar en minskning av ferroelektriciteten. Forskarna hoppas att denna tryckförstärkta ferroelektricitet hos negativa piezoelektriska material kan leda till utformningen av nya enheter.

"Detta arbete illustrerar kraften i teori och informatik tillsammans, och vi (och andra) kan använda detta tillvägagångssätt för att hitta andra nya typer av intressant material, " sa Liu. "Angående piezoelektrik, vi hoppas att detta arbete kommer att inspirera till experimentella studier av den negativa longitudinella piezoelektriska effekten. Våra kollegor här arbetar med att syntetisera några av föreningarna med negativt piezoelektriskt svar som vi föreslog i artikeln. Det ska också bli mycket intressant att undersöka vad som kommer att hända om vi skapar ett kompositmaterialsystem med omväxlande lager av konventionell piezoelektrik med positiv respons och de med negativ respons. När du slår på det elektriska fältet, vissa lager kommer att expandera medan vissa lager kommer att dra ihop sig. Sådan konkurrens kan ge upphov till ovanlig fysik och potentiellt möjliggöra nya tillämpningar."

© 2017 Phys.org