science >> Wetenschap >  >> Fysica

Keramiek belooft wat voor groenere optische apparaten

Onderzoekers hebben de vorm en grootte van KNN-kristallen gewijzigd in nano-formaat, bijna bolvormige deeltjes gerangschikt in een perovskietstructuur, vergelijkbaar met afbeelding hierboven. Krediet:Niethammer Zoltan/Shutterstock

Een loodvrij keramiek dat kan worden gebruikt in toepassingen variërend van optische sensoren en schakelaars tot crèmes voor bescherming tegen ultraviolet (UV) licht is ontwikkeld door A*STAR-onderzoekers.

Keramiek gemaakt van kalium-natriumniobaat (KNN) is veelbelovende alternatieven voor op lood gebaseerde keramiek in elektro-optische toepassingen. Echter, het is zowel uitdagend als kostbaar om de prestaties van KNN te verbeteren door ervoor te zorgen dat het een hoge dichtheid heeft, fijn gemalen, chemisch uniforme microstructuur.

Bekend als PLZT, Met lanthaan gemodificeerd loodzirkonaattitanaat is een van de meest gebruikte elektro-optische keramiek. Toch zijn er ernstige ecologische zorgen met betrekking tot toxiciteit voor het milieu en levende organismen zodra apparaten die ermee zijn gemaakt, worden weggegooid; PLZT bevat ongeveer 60 procent lood (in gewicht). Er wordt gezocht naar loodvrije vervangingen voor PLZT.

Santiranjan Shannigrahi, en zijn collega's van A*STAR's Institute of Materials Research and Engineering en Institute of High Performance Computing, hebben een methode ontwikkeld om een ​​op KNN gebaseerd keramisch materiaal te maken dat PLZT kan vervangen.

"Ontwikkelen van een loodvrije, stabiel keramiek voor praktische toepassingen was ons belangrijkste doel, " legt Shannigrahi uit. "Sinds enige tijd toont KNN veelbelovend als een potentieel alternatief voor PLZT, maar KNN-gebaseerde keramiek lijdt aan een aantal intrinsieke problemen, zoals de lage dichtheid van grote, kubusvormige deeltjes waardoor vocht kan worden opgenomen, waardoor ze onstabiel en daarom ongeschikt voor praktisch gebruik."

KNN-kristallen na modificatie en toevoeging van lanthaanionen. Krediet:A * STAR Institute of Materials Research and Engineering

De KNN-kristallen worden gemodificeerd tot nanoformaat, bijna bolvormige deeltjes gerangschikt in een perovskietrooster. Kalium- en natriumionen bevinden zich op de hoeken van het kubusvormige rooster, zuurstofionen aan de gezichten, en niobium-ionen in het midden. De onderzoekers vervingen vervolgens een deel van de niobium-ionen door lanthaan-ionen, het veranderen van de kristalgrootte en -structuur en het creëren van een volledig nieuw materiaal waarvan de magnetische en optische eigenschappen kunnen worden afgestemd bij blootstelling aan UV.

Het nieuwe materiaal absorbeert UV-licht volledig wanneer het wordt verlicht, verandert in een diepblauwe kleur. Dit gaat gepaard met een aanzienlijke toename van de magnetisatie. interessant, het keert terug naar zijn oorspronkelijke kleur en magnetisatie zodra de verlichting ophoudt.

"Deze modificaties produceerden een semitransparant keramiek met nanoformaat, bolvormige deeltjes met een dichtheid van ongeveer 98 procent van de theoretische potentiaal, ' zegt Shannigrahi.

Het nieuwe materiaal kan in tal van toepassingen worden gebruikt, inclusief stroomloze UV-sensoren, optische schakelaars en detectoren, en voor UV-bescherming in zonnebrandmiddelen.

"Ons werk zou kunnen leiden tot een milieuvriendelijker alternatief voor PLZT, en we betrekken nu industriële partners voor verdere ontwikkeling, ' zegt Shannigrahi.