Piëzo-elektrische materialen zijn materialen die van vorm veranderen wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd, met brede toepassingen, waaronder drukinkt op papier en het nauwkeurig bewegen van de punt van een scanning tunneling microscoop. Momenteel, de meest effectieve piëzo-elektriciteit zijn die in eenkristalvorm, omdat ze een grote elektrostrain-waarde hebben (> 1 procent), wat een teken is van hoeveel het materiaal van vorm kan veranderen wanneer het elektrische veld wordt toegepast. Echter, ze zijn erg duur en moeilijk te vervaardigen. Keramische piëzo-elektriciteit, opgebouwd uit meerdere kleine kristallen, zijn minstens honderd keer goedkoper en gemakkelijk in massa te produceren, maar ze hebben meestal zeer lage elektrostrain-waarden.

Voor de eerste keer, onderzoekers van het Indian Institute of Science (IISc) hebben een keramisch materiaal ontworpen dat een elektrostrain-waarde van 1,3 procent kan bereiken - de hoogste voor een keramiek tot nu toe en het dichtst bij het record van eenkristallen.

"Het proces van het maken van keramiek is vergelijkbaar met het maken van bakstenen, " zegt Rajeev Ranjan, Collega Professor, Afdeling Materiaalkunde, IISc, die de studie leidde. "Dit kan de actuator- en transducerindustrie de mogelijkheid bieden om materialen te kiezen die veel goedkoper zijn dan monokristallen voor hoogwaardige toepassingen."

De studie is gepubliceerd in Natuurmaterialen .

Natuurlijke materialen zoals kwarts, wanneer gesneden als eenkristallen, kan automatisch comprimeren of uitbreiden wanneer spanning wordt toegepast. Echter, hun fabricage is kostbaar en ingewikkeld. Sinds de jaren vijftig, de focus is verschoven naar goedkopere op ferro-elektrische gebaseerde keramische gemengde metaaloxiden. Deze keramiek vertoont geen piëzo-elektriciteit in hun voorbereide vorm, maar kan worden bereikt door een sterke spanning aan te leggen.

Wanneer een elektrisch veld wordt toegepast op een piëzo-elektrisch materiaal - kristal of keramiek - ontwikkelt het een spanning, een kwaliteit die wordt gemeten door hoeveel de lengte verandert in verhouding tot de oorspronkelijke afmeting. Hoe groter de spanning die in het materiaal kan worden opgewekt, des te beter, speciaal voor toepassingen zoals het genereren van ultrageluid in medische beeldvormingsapparatuur. De hoogste waarde van deze elektrostrain die tot nu toe is bereikt, is 1,7 procent in eenkristallen van een speciaal type op lood gebaseerde materialen, relaxor-ferro-elektriciteit genoemd. Tot dusver, onderzoekers zijn niet in staat geweest keramiek te ontwerpen met vergelijkbare of nauwe elektrostrain-waarden.

Een keramisch materiaal is over het algemeen een geassorteerde massa van kleine, willekeurig georiënteerde metaaloxidekristallen die korrels worden genoemd. Wanneer er spanning wordt aangelegd, lokale regio's die domeinen binnen elke korrel worden genoemd, proberen zich te oriënteren in de richting van het aangelegde veld, waardoor het graan van vorm verandert. De mate waarin een korrel van vorm verandert, hangt af van een inherente eigenschap die "spontane roosterspanning" wordt genoemd. Hoe groter deze spontane stam, hoe meer de korrel kan vervormen onder een elektrisch veld. De elektrospanning die in een keramisch piëzo-elektrisch materiaal wordt gezien, vertegenwoordigt de som van de verlengingen van alle duizenden korrels.

Echter, de meeste piëzo-elektrische keramiek hebben een nadeel:wanneer de spanning is uitgeschakeld, de domeinen blijven vastzitten in hun nieuwe configuratie, vastgepind door defecten in het materiaal, en niet in staat zijn om terug te keren naar hun oorspronkelijke staat. Dit betekent dat wanneer voor een tweede of derde keer spanning wordt toegepast, de elektrostrain neemt drastisch af.

Daarom, een ideaal piëzokeramisch materiaal zou niet alleen een grote spontane roosterspanning moeten hebben, maar ook een omkeerbare beweging van domeinen.

Om een ​​dergelijk materiaal te ontwikkelen, Ranjan en zijn team maakten eerst een solide oplossing van de verbindingen BiFeO ₃ en PbTiO ₃ die een grote spontane roosterspanning had. Omdat de domeinen in dit materiaal onbeweeglijk waren, ze hebben het chemisch gewijzigd door verschillende hoeveelheden van het element lanthaan toe te voegen om de domeinen te laten bewegen. Bij een bepaalde kritische concentratie van lanthaan, de domeinen waren in staat om terug te schakelen naar hun oorspronkelijke staat wanneer de spanning werd uitgeschakeld.

"Ons materiaal kan daarom worden vergeleken met een rubber dat herhaaldelijk kan worden verlengd elke keer dat we uitrekken, ' zegt Rajan.

Bij deze concentratie van lanthaan, het materiaal vertoonde ook een elektrostrain-waarde van 1,3 procent, bijna het dubbele van de hoogste waarde die tot nu toe voor keramiek is gerapporteerd. De waarde bleef hetzelfde elke keer dat er spanning werd toegepast. Bij nader onderzoek, het materiaal vertoonde eigenschappen op nanoschaal die vergelijkbaar waren met de krachtige relaxor-ferro-elektriciteit.

"Onze demonstratie dat elektrostrain van zo'n grote omvang kan worden gerealiseerd, zelfs in keramiek, zal wetenschappers waarschijnlijk stimuleren om naar meer nieuwe materialen te zoeken, ' zegt Rajan.