Användning av ett AC i stället för ett DC elektriskt fält kan förbättra det piezoelektriska svaret hos en kristall. Nu, ett internationellt team av forskare säger att cykler av AC-fält också gör de interna kristalldomänerna i vissa material större och kristallen genomskinlig.

"Det har förekommit rapporter om att användningen av växelströmsfält avsevärt skulle kunna förbättra de piezoelektriska svaren - till exempel med 20 % till 40 % - jämfört med likströmsfält och förbättringarna har alltid tillskrivits de mindre interna ferroelektriska domänstorlekar som resulterade från cyklerna av AC-fält, sa Long-Qing Chen, Hamer professor i materialvetenskap och teknik, professor i ingenjörsvetenskap och mekanik, och professor i matematik vid Penn State. "För ungefär tre år sedan Dr Fei Li, sedan en forskarassistent vid Materials Research Institute i Penn State, bekräftade till stor del förbättringen av piezoelektriska prestanda från applicering av AC-fält. Dock, det var inte alls klart hur de interna ferroelektriska domänerna utvecklades under AC-cykler.

"Vår grupp gör mestadels datormodellering, och för mer än ett år sedan började vi titta på vad som händer med de interna domänstrukturerna om vi applicerar AC-fält på en ferroelektrisk piezoelektrisk kristall. Vi är mycket nyfikna på hur domänstrukturerna utvecklas under AC-cykler. Våra datorsimuleringar och teoretiska beräkningar visade en förbättrad piezoelektrisk respons, men våra simuleringar visade också att de ferroelektriska domänstorlekarna faktiskt blev större under AC-cykler snarare än mindre som rapporterats i litteraturen."

Piezoelektriska material genererar elektriska laddningar när en mekanisk kraft appliceras och deformeras eller ändrar form när ett elektriskt fält appliceras. Forskarna undersökte blymagnesiumniobat-blytitanat - PMN-PT - ett kommersiellt tillgängligt piezoelektriskt material. Beräkningsresultaten var oväntade eftersom de flesta i det piezoelektriska samhället tror att ju mindre domänerna är, ju högre piezoelektrisk respons.

Domäner inom en kristall är områden inom vilka de elektriska dipolerna eller den elektriska polarisationen ordnar sig i samma riktning. Innan inriktningen av dipoler eller polarisering av en PMN-PT-kristall med hjälp av ett elektriskt fält, det finns många små domäner med polarisering i olika riktningar. När cykler av elektriska växelströmsfält appliceras på kristallen, domänerna justeras om, blir färre och större. Efter flera AC-cykler, domänerna är stora och i lager.

"Simuleringsresultaten stod i motsats till rapporter i litteraturen, ", sa Chen. "Vi behövde gräva djupare för att se om verkligheten överensstämmer med våra simuleringsresultat."

Forskare vid Xi'an Jiaotong University i Kina odlade sedan sina egna PMN-PT-kristaller och undersökte noggrant domänkonfigurationerna i sina prover med hjälp av olika experimentella karakteriseringstekniker under olika AC-cykelförhållanden. De bekräftade beräkningsförutsägelserna från Penn State att domäner faktiskt blir större under AC-cykler.

Den större domänstorleken och de specifika lagerdomänstrukturerna tyder också på att en ljusstråle som visas på kristallen skulle vara obehindrad och lysa rakt igenom - kristallen skulle vara transparent. Kristallerna har inte bara ultrahög piezoelektricitet, men är också mycket transparenta efter att deras ytor är noggrant polerade. Förr, kristaller som denna har alltid varit ogenomskinliga.

Forskarna rapporterar idag (15 januari) in Natur att "arbetet presenterar ett paradigm för att uppnå en aldrig tidigare skådad kombination av egenskaper och funktionaliteter genom ferroelektrisk domänteknik, och de nya transparenta ferroelektriska kristallerna som rapporteras här förväntas öppna upp ett brett utbud av hybridenhetstillämpningar, såsom medicinsk bildbehandling, självförsörjande pekskärmar och osynliga robotenheter."