Теперь ученые из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики и их партнеры по исследованию использовали рассеяние нейтронов, чтобы открыть ключ к пьезоэлектрическому совершенству в новых материалах, которые называются сегнетоэлектриками на основе релаксоров. (Сегнетоэлектрический материал имеет электрическую поляризацию, которая меняется на противоположную при приложении электрического поля.) Их результаты, опубликованные в Интернете в журнале Science Advances, могут предоставить знания, необходимые для ускорения разработки функциональных материалов для различных приложений.Оксидные сегнетоэлектрики на основе релаксоров произвели революцию в пьезоэлектрических устройствах. В медицинском ультразвуке, например, механическое давление звуковых волн создает изображения внутренней части человека.
По сравнению с характеристиками традиционных материалов, более сильный отклик сегнетоэлектриков на основе релаксоров дает более подробный электрический сигнал, который дает более качественные изображения. Вместо того, чтобы иметь несколько нечеткое руководство по 2D-изображениям для диагностики причины боли, оценки пренатального состояния, проведения биопсии или оценки повреждений после сердечного приступа, врачи теперь полагаются на высокодетализированные 3D-изображения.
Эти современные материалы также позволили сфокусировать ультразвуковые волны для неинвазивного лечения таких состояний, как опухоли или камни в желчном пузыре. Эта технология позволяет безвредно пропускать отдельные лучи через ткани; лучи сходятся к цели, где их эффекты концентрируются, как свет, проходящий через увеличительное стекло, чтобы зажечь бумагу.
«Мы выяснили на атомном уровне, почему определенные материалы так хорошо механически реагируют на электрическое поле, изменяя форму или размер», — сказал ведущий автор исследования Майкл Мэнли из ORNL. «Это открытие является основой для высокопроизводительных исполнительных механизмов и датчиков». По сравнению с традиционными поликристаллическими материалами, новые пьезоэлектрические кристаллы создают большую механическую силу в ответ на приложенное электрическое поле.
Команда под руководством ORNL была удивлена, узнав, что ключом к впечатляющим характеристикам сегнетоэлектриков на основе релаксоров являются колебания крошечных объемов материала, называемых полярными нанообластями, в которых положения нескольких положительных и отрицательных ионов слегка смещаются, создавая крохотные области электрической поляризации. Механический отклик сегнетоэлектрических кристаллов на основе релаксоров основан на вращении более крупных электрически ориентированных доменов, размером около 20 микрон.
Чтобы эти макроскопические области поляризации вращались, атомные слои во всем домене должны смещаться друг относительно друга или сдвигаться. Полярные нанообласти размером всего 2 нанометра ответственны за усиленную электромеханическую связь (то есть преобразование электрической энергии в механическую и наоборот), которая позволяет значительно улучшить пьезоэлектрические приложения за счет снижения сопротивления сдвигу в кристалле.
Понимание того, как полярные нанообласти улучшают характеристики материала, имеет отношение к исследованию широких классов химически неупорядоченных материалов, помимо сегнетоэлектриков на основе релаксоров, включая сплавы с памятью формы, колоссальные магниторезисторы, магнитные полупроводники и некоторые сверхпроводники.Новое исследование использовало измерения динамики решетки и локальной структуры рассеяния нейтронов, чтобы выявить основу гигантской электромеханической связи.Традиционные сегнетоэлектрические материалы жесткие; их большим доменам трудно вращаться. Но в сверхчувствительных современных сегнетоэлектриках на основе релаксоров колебания полярных нанообластей смешиваются с колебаниями окружающей решетки, образуя гибридные колебания.
Гибридные колебания приводят к более мягкому сдвигу с низкой энергией, что облегчает вращение макроскопических областей поляризации. Это означает больший механический отклик при приложении электрического поля.«Смысл всей этой истории в том, что именно взаимодействие этих нанообластей со средней решеткой обеспечивает больший механический отклик от меньшего поля», — сказал Мэнли.
Соавторами Мэнли являются Дуглас Абернати, Эндрю Кристиансон, Пол Стонаха, Элиот Спехт и Джон Будаи из ORNL; Раффи Сахул из TRS Technologies и Дэниел Паршалл и Джеффри Линн из Национального института стандартов и технологий.Сказал Мэнли: «Затем мы посмотрим, сможем ли мы понять пределы того, что можно сделать с точки зрения инженерных упругих свойств».
Название статьи: «Гигантская электромеханическая связь релаксорных сегнетоэлектриков, управляемая колебаниями полярных нанообластей».