Alle ferro-elektrische materialen hebben een eigenschap die bekend staat als piëzo-elektriciteit, waarbij een uitgeoefende mechanische kracht een elektrische stroom kan genereren en een aangelegd elektrisch veld een mechanische respons kan opwekken. Ferro-elektrische materialen worden gebruikt in een breed scala aan industriële toepassingen, van ultrageluid en sonar tot condensatoren, omvormers, trillingssensoren en ultragevoelige infraroodcamera's. Nutsvoorzieningen, een internationaal team van wetenschappers onder leiding van Penn State heeft mogelijk het 30 jaar oude raadsel opgelost waarom bepaalde ferro-elektrische kristallen extreem sterke piëzo-elektrische reacties vertonen.

In 1997, een relaxor-ferro-elektrisch vast oplossingskristal met de hoogst bekende piëzo-elektrische respons werd gerapporteerd in Penn State door Thomas R. Shrout, momenteel senior wetenschapper en hoogleraar materiaalkunde en techniek aan Penn State, en het late Seung-Eek Park. Het heeft een piëzo-elektrische respons die vijf tot tien keer hoger is dan enig ander bekend ferro-elektrisch materiaal.

"Er zijn een aantal mechanismen voorgesteld om de ultrahoge piëzo-elektrische reacties te verklaren, maar geen van hen biedt een bevredigende verklaring voor alle experimentele waarnemingen en metingen die verband houden met de hoge respons. Zonder een goed begrip van het onderliggende mechanisme, het zou moeilijk zijn om nieuwe materialen te ontwerpen met een nog hogere piëzo-elektrische respons, " zei Fei Li, een postdoctoraal wetenschapper in materiaalkunde en techniek aan Penn State en hoofdauteur van een recent artikel in het tijdschrift Natuurcommunicatie het fenomeen proberen te verklaren.

Echter, de wetenschappelijke gemeenschap heeft een algemene consensus bereikt dat iets dat polaire nanoregio's wordt genoemd, heeft bijgedragen aan de hoge piëzo-respons van relaxorkristallen, zei Li.

Een polair nanogebied is een ruimtelijk gebied binnen een kristal. Het heeft een nanoschaalgrootte (5-10 nm) en bezit een netto elektrische polarisatie. Er zijn veel van dergelijke kleine regio's die willekeurig in de ruimte zijn verdeeld in een relaxorkristal. Andere bekende piëzo-elektrische materialen, zoals loodzirkonaattitanaat (PZT), hebben geen polaire nanoregio's, maar hebben in plaats daarvan veel grotere ferro-elektrische domeinen waarin de polarisatie uniform is. Het team wilde bewijzen dat de polaire nanoregio's inderdaad verantwoordelijk waren voor de enorme reacties, en nog belangrijker, om het mechanisme te bepalen waarmee ze helpen om zulke enorme reacties te genereren.

De experimenten werden uitgevoerd bij ultralage cryogene temperaturen (50-150 K). Hierdoor konden de onderzoekers de reacties scheiden van de polaire nanoregio's, die actief blijven binnen dat temperatuurbereik, van die hoge piëzo-elektrische reacties die typisch plaatsvinden in de buurt van een ferro-elektrische faseovergang.

"We hebben experimenteel een significante verbetering waargenomen van de piëzo-elektrische respons van relaxor-ferro-elektrische kristallen in het temperatuurbereik van 50-150 K. Deze verbetering is verantwoordelijk voor 50-80% van de piëzo-elektriciteit bij kamertemperatuur, " zei Shujun Zhang, een senior auteur en professor in materiaalkunde en techniek aan Penn State (momenteel aan de Universiteit van Wollongong).

"We schreven de experimenteel waargenomen verbetering toe aan het bestaan ​​​​van de polaire nanoregio's. Met behulp van faseveldmodellering, we hebben eerst bewezen dat deze significante verbetering afkomstig is van de polaire nanoregio's, d.w.z., de verbetering is afwezig zonder de aanwezigheid van deze polaire nanoregio's, en demonstreerde vervolgens hoe de polaire nanoregio's helpen bij het genereren van ultrahoge responsen, " zei Long-Qing Chen, een senior auteur en Donald Hamer hoogleraar materiaalkunde en techniek, Penn State. "Ons voorgestelde mechanisme is in staat om alle experimentele metingen en observaties die verband houden met de hoge respons succesvol te verklaren. Dit werk is een belangrijke stap in het realiseren van de droom om nieuwe piëzo-elektrische materialen door ontwerp te ontdekken.

Een waarschuwing

"Echter, opgemerkt moet worden dat ons voorgestelde model een mesoschaalmodel is, dat is een tussenschaal. De atomistische oorsprong van PNR's is nog steeds een open vraag, dus verder diepgaand onderzoek is nog steeds nodig om de bijdrage van polaire nanoregio's op atomaire schaal te verduidelijken. En in feite, ons lopende werk is gericht op het begrijpen van de mechanismen op atomaire schaal van polaire nanoregio's in piëzo-elektrische reacties, " zei Chen.