Het vermogen van piëzo-elektrische materialen om mechanische energie om te zetten in elektrische energie en vice versa maakt ze bruikbaar voor verschillende toepassingen, van robotica tot communicatie tot sensoren. Een nieuwe ontwerpstrategie voor het maken van ultrakrachtige piëzo-elektrische keramiek opent de deur naar nog gunstiger gebruik van deze materialen, volgens een team van onderzoekers van Penn State en Michigan Technological University.

"Lange tijd hebben piëzo-elektrische polykristallijne keramiek een beperkte piëzo-elektrische respons getoond in vergelijking met enkele kristallen", zegt Shashank Priya, associate vice-president voor onderzoek en hoogleraar materiaalkunde en engineering aan Penn State en co-auteur van de studie gepubliceerd in de tijdschrift Advanced Science . "Er zijn veel mechanismen die de grootte van piëzo-elektriciteit in polykristallijne keramische materialen beperken. In dit artikel demonstreren we een nieuw mechanisme dat ons in staat stelt om de grootte van de piëzo-elektrische coëfficiënt meerdere keren hoger te maken dan normaal wordt verwacht voor een keramiek."

De piëzo-elektrische coëfficiënt, die het niveau van de piëzo-elektrische respons van een materiaal beschrijft, wordt gemeten in picocoulombs per Newton.

"We bereikten bijna 2.000 picocoulombs per Newton, wat een aanzienlijke vooruitgang is, omdat deze omvang in polykristallijne keramiek altijd beperkt is geweest tot ongeveer 1.000 picocoulombs per Newton," zei Priya. "2000 werd beschouwd als een onbereikbaar doelwit in de keramiekgemeenschap, dus het bereiken van dat aantal is zeer dramatisch."

Het pad naar het ontdekken van het nieuwe mechanisme begon met een vraag:welke factoren bepalen de grootte van de piëzo-elektrische constante? De piëzo-elektrische constante is de lading die wordt gegenereerd door een eenheid van uitgeoefende kracht, picocoulomb per Newton, die op zijn beurt afhankelijk is van effecten die optreden op atomaire tot mesoschaal.

"We vroegen ons af wat enkele basiseffecten zijn, bijna op atomaire schaal, van de fundamentele parameters die de respons beperken of beheersen?" zei Priya. "Met behulp van het multischaalmodel dat is ontwikkeld door Michigan Tech, dat een combinatie is van verschillende modelleringstechnieken om de lengteschaal te overbruggen, hebben we een zeer gedetailleerd onderzoek uitgevoerd naar twee fenomenen."

Een daarvan was chemische heterogeniteit, die beschrijft hoe atomen van verschillende elementen in een materiaal op nanoschaal worden verdeeld. Dit is belangrijk omdat de verschillende atomaire posities en de plaatsen die ze innemen cruciaal zijn voor de piëzo-elektrische respons. De tweede is anisotropie, de invloed van kristallografische oriëntatie. Dit is belangrijk omdat piëzo-elektrische eigenschappen in een materiaal hoger zijn langs een bepaalde kristallografische richting.

"Stel je voor dat het materiaal als een kubus is - een kubus heeft verschillende assen, een gezichtsdiagonaal en een lichaamsdiagonaal, en dus verandert de piëzo-elektrische respons in al deze verschillende richtingen," Yu U. Wang, professor in materiaalkunde en engineering, Michigan Technical Universiteit, zei. "En dus laten we zien dat door alle korrels in een keramisch materiaal langs bepaalde kristallografische assen uit te lijnen, we een zeer hoge piëzo-elektrische respons kunnen krijgen. We creëerden een zeer hoge hoeveelheid lokale heterogeniteit en een zeer hoge korreloriëntatie in het keramische materiaal, en de combinatie van deze twee fundamentele regelparameters leidde tot een hoge piëzo-elektrische respons in keramiek."

De onderzoekers ontdekten dat als je een kleine hoeveelheid van het zeldzame aarde-element europium aan het keramiek toevoegt, het europium de hoek van het kubische rooster inneemt. Dit creëert de chemische heterogeniteit in het materiaal die nodig is voor een hoge piëzo-elektrische respons. De onderzoekers waren in staat om de respons verder te versterken door 99% van de kristalkorrels te oriënteren.

De combinatie van deze twee effecten is nog niet eerder onderzocht, aldus Yongke Yan, universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering en hoofdauteur van deze studie.

"Ik denk dat dit mechanisme dat we konden identificeren niet alleen leidt tot verbetering, maar ook tot dramatische verbetering, en het dicht bij de ideale waarde brengt, die veel hoger is dan wat veel mensen zouden verwachten," zei Yan.

Om de nodige gegevens te verzamelen om hun concept te bewijzen, werkten Priya en zijn team samen met Dabin Lin, voorheen een gastwetenschapper bij Penn State's Materials Research Institute (MRI) en momenteel een docent foto-elektrische techniek aan de Xi'an Technological University in China, en Ke Wang, MRI-stafwetenschapper in het Materials Characterization Lab van MRI. Dit omvatte het verzamelen van transmissie-elektronenmicroscoopgegevens door de keramische materialen te scannen, die ze combineerden met technieken voor energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDS). EDS kan bepalen welke chemische elementen aanwezig zijn en stelt onderzoekers in staat om op het niveau van één atoom te "zien" dat het europium aanwezig is in het keramiek op een manier die het de heterogeniteit geeft die nodig is voor een hoge piëzo-elektrische respons.

Deze bevindingen kunnen leiden tot verbeterde en zelfs nieuwe piëzo-elektrische materialen, met een verscheidenheid aan nieuwe actuator- en transducertoepassingen. Dit kan betere robotica, sensoren, transformatoren, ultrasone motoren en medische technologieën betekenen. Bovendien, aangezien de ultrahoge piëzo-elektrische keramiek in het onderzoek kan worden verwerkt met behulp van traditionele meerlaagse productieprocessen, zouden de materialen kosteneffectief en schaalbaar zijn.

"Mensen profiteren van elektronica, en ze zijn aanwezig in zoveel dingen, zoals robots, microscopen, transportsystemen, elk persoonlijk apparaat met een scherm zoals een telefoon, medische apparaten zoals lichaamsbeeldvorming of scantools, en zelfs dingen die worden gebruikt in ruimteverkenning zoals robots die buiten een ruimtevaartuig kunnen opereren", zei Priya. "Al deze dingen kunnen worden verbeterd met ultrahoge piëzo-elektrische keramiek." + Verder verkennen

Een nieuwe flexibele piëzo-elektrische composiet voor 3D-printen