Het gebruik van een AC in plaats van een DC elektrisch veld kan de piëzo-elektrische respons van een kristal verbeteren. Nutsvoorzieningen, een internationaal team van onderzoekers zegt dat cycli van wisselstroomvelden ook de interne kristaldomeinen in sommige materialen groter en het kristal transparant maken.

"Er zijn meldingen geweest dat het gebruik van wisselstroomvelden de piëzo-elektrische respons aanzienlijk zou kunnen verbeteren - bijvoorbeeld met 20% tot 40% - ten opzichte van gelijkstroomvelden en de verbeteringen zijn altijd toegeschreven aan de kleinere interne ferro-elektrische domeingroottes die het gevolg waren van de cycli van AC velden, " zei Long-Qing Chen, Hamer Hoogleraar Materials Science and Engineering, hoogleraar technische wetenschappen en mechanica, en professor in de wiskunde aan Penn State. "Ongeveer drie jaar geleden Dr. Fei Li, vervolgens een onderzoeksmedewerker bij het Materials Research Institute in Penn State, bevestigde grotendeels de verbetering van piëzo-elektrische prestaties door toepassing van wisselstroomvelden. Echter, het was helemaal niet duidelijk hoe de interne ferro-elektrische domeinen evolueerden tijdens AC-cycli.

"Onze groep doet voornamelijk computermodellering, en meer dan een jaar geleden begonnen we te onderzoeken wat er gebeurt met de interne domeinstructuren als we wisselstroomvelden toepassen op een ferro-elektrisch piëzo-elektrisch kristal. We zijn erg benieuwd hoe de domeinstructuren evolueren tijdens AC-cycli. Onze computersimulaties en theoretische berekeningen lieten een verbeterde piëzo-elektrische respons zien, maar onze simulaties toonden ook aan dat de grootte van het ferro-elektrische domein tijdens AC-cycli eigenlijk groter werd in plaats van kleiner zoals gerapporteerd in de literatuur."

Piëzo-elektrische materialen genereren elektrische ladingen wanneer een mechanische kracht wordt uitgeoefend en vervormen of veranderen van vorm wanneer een elektrisch veld wordt toegepast. De onderzoekers onderzochten loodmagnesiumniobaat-loodtitanaat - PMN-PT - een in de handel verkrijgbaar piëzo-elektrisch materiaal. De computationele resultaten waren onverwacht omdat de meeste mensen in de piëzo-elektrische gemeenschap geloven dat hoe kleiner de domeinen zijn, hoe hoger de piëzo-elektrische respons.

Domeinen binnen een kristal zijn gebieden waarbinnen de elektrische dipolen of elektrische polarisatie zich in dezelfde richting rangschikken. Vóór de uitlijning van dipolen of polarisatie van een PMN-PT-kristal met behulp van een elektrisch veld, er zijn veel kleine domeinen met polarisatie langs verschillende richtingen. Omdat cycli van elektrische wisselvelden op het kristal worden toegepast, de domeinen herschikken, steeds kleiner worden. Na verschillende AC-cycli, de domeinen zijn groot en in lagen.

"De simulatieresultaten waren in tegenspraak met rapporten in de literatuur, "zei Chen. "We moesten dieper graven om te zien of de werkelijkheid overeenkomt met onze simulatieresultaten."

Onderzoekers van de Xi'an Jiaotong University in China groeiden vervolgens hun eigen PMN-PT-kristallen en onderzochten zorgvuldig de domeinconfiguraties in hun monsters met behulp van verschillende experimentele karakteriseringstechnieken onder verschillende AC-cyclusomstandigheden. Ze bevestigden de computationele voorspellingen van Penn State dat domeinen daadwerkelijk groter worden tijdens AC-cycli.

De grotere domeingrootte en de specifieke laagdomeinstructuren suggereren ook dat een lichtstraal die op het kristal wordt getoond, ongehinderd zou zijn en er doorheen zou schijnen - het kristal zou transparant zijn. De kristallen bezitten niet alleen ultrahoge piëzo-elektriciteit, maar zijn ook zeer transparant nadat hun oppervlakken zorgvuldig zijn gepolijst. Vroeger, kristallen zoals deze zijn altijd ondoorzichtig geweest.

De onderzoekers rapporteren vandaag (15 januari) in Natuur dat "het werk een paradigma presenteert om een ​​ongekende combinatie van eigenschappen en functionaliteiten te bereiken door middel van ferro-elektrische domeinengineering, en de nieuwe transparante ferro-elektrische kristallen die hier worden gerapporteerd, zullen naar verwachting een breed scala aan hybride apparaattoepassingen openen, zoals medische beeldvorming, zelf-energie oogstende touchscreens en onzichtbare robottoestellen."