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Jan 27, 2024

Transparenz in Kristallen mit ultrahoher Piezoelektrizität entdeckt

Transparenter Kristall aus piezoelektrischem Material im Vergleich zu anderen Kristallen

Transparenter Kristall aus piezoelektrischem Material im Vergleich zu Kristallen, die mit elektrischen Wechsel- oder Gleichstromfeldern behandelt wurden. Bildnachweis: Bo Wang, Penn State. Alle Rechte vorbehalten.

15. Januar 2020

Von Andrea Elyse Messer

UNIVERSITY PARK, Pennsylvania – Die Verwendung eines elektrischen Wechselstromfelds anstelle eines Gleichstromfelds kann die piezoelektrische Reaktion eines Kristalls verbessern. Nun sagt ein internationales Forscherteam, dass Zyklen von Wechselstromfeldern auch die inneren Kristalldomänen in einigen Materialien größer und den Kristall transparent machen.

„Es gab Berichte, dass die Verwendung von Wechselstromfeldern die piezoelektrischen Reaktionen gegenüber Gleichfeldern erheblich verbessern könnte – beispielsweise um 20 bis 40 % – und die Verbesserungen wurden immer auf die kleineren internen ferroelektrischen Domänengrößen zurückgeführt, die sich aus den Zyklen von ergaben Wechselstromfelder“, sagte Long-Qing Chen, Hamer-Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Professor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik und Professor für Mathematik an der Penn State. „Vor etwa drei Jahren bestätigte Dr. Fei Li, damals wissenschaftlicher Mitarbeiter am Materials Research Institute der Penn State, weitgehend die Verbesserung der piezoelektrischen Leistung durch die Anwendung von Wechselfeldern. Es war jedoch überhaupt nicht klar, wie die internen ferroelektrischen Domänen funktionieren während Wechselstromzyklen entwickelt.

„Unsere Gruppe beschäftigt sich hauptsächlich mit Computermodellen, und vor mehr als einem Jahr haben wir damit begonnen, zu untersuchen, was mit den internen Domänenstrukturen passiert, wenn wir Wechselstromfelder an einen ferroelektrischen piezoelektrischen Kristall anlegen. Wir sind sehr neugierig, wie sich die Domänenstrukturen während Wechselstromzyklen entwickeln.“ Unsere Computersimulationen und theoretischen Berechnungen zeigten zwar eine verbesserte piezoelektrische Reaktion, aber unsere Simulationen zeigten auch, dass die Größe der ferroelektrischen Domänen während Wechselstromzyklen tatsächlich größer wurde und nicht kleiner wurde, wie in der Literatur berichtet.“

Piezoelektrische Materialien erzeugen elektrische Ladungen, wenn eine mechanische Kraft ausgeübt wird, und verformen oder ändern ihre Form, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird. Die Forscher untersuchten Bleimagnesiumniobat-Bleititanat – PMN-PT – ein kommerziell erhältliches piezoelektrisches Material. Die Berechnungsergebnisse waren unerwartet, da die meisten Menschen in der piezoelektrischen Gemeinschaft glauben, dass die piezoelektrische Reaktion umso höher ist, je kleiner die Domänen sind.

Vor der Ausrichtung von Dipolen oder der Polarisation eines PMN-PT-Kristalls mithilfe eines elektrischen Feldes gibt es viele winzige Domänen mit Polarisation in verschiedene Richtungen. Wenn Zyklen elektrischer Wechselfelder an den Kristall angelegt werden, richten sich die Domänen neu aus und werden kleiner und größer. Nach mehreren Wechselstromzyklen sind die Domänen groß und liegen in Schichten vor. Bildnachweis: Long-Qing Chen, Pennsylvania State.

Domänen innerhalb eines Kristalls sind Bereiche, in denen sich die elektrischen Dipole oder die elektrische Polarisation in derselben Richtung anordnen. Vor der Ausrichtung von Dipolen oder der Polarisation eines PMN-PT-Kristalls mithilfe eines elektrischen Feldes gibt es viele winzige Domänen mit Polarisation in verschiedene Richtungen. Wenn Zyklen elektrischer Wechselfelder an den Kristall angelegt werden, richten sich die Domänen neu aus und werden kleiner und größer. Nach mehreren Wechselstromzyklen sind die Domänen groß und liegen in Schichten vor.

„Die Simulationsergebnisse standen im Widerspruch zu Berichten in der Literatur“, sagte Chen. „Wir mussten tiefer graben, um zu sehen, ob die Realität mit unseren Simulationsergebnissen übereinstimmt.“

Anschließend züchteten Forscher der Xi'an Jiaotong-Universität in China ihre eigenen PMN-PT-Kristalle und untersuchten sorgfältig die Domänenkonfigurationen in ihren Proben mithilfe verschiedener experimenteller Charakterisierungstechniken unter verschiedenen Wechselstrom-Zyklusbedingungen. Sie bestätigten die rechnerischen Vorhersagen von Penn State, dass Domänen während Wechselstromzyklen tatsächlich größer werden.

Die größere Domänengröße und die besonderen Schichtdomänenstrukturen legen auch nahe, dass ein Lichtstrahl, der auf den Kristall fällt, ungehindert durchscheinen würde – der Kristall wäre transparent. Die Kristalle verfügen nicht nur über eine extrem hohe Piezoelektrizität, sondern sind nach sorgfältiger Politur ihrer Oberflächen auch hochtransparent. Früher waren solche Kristalle immer undurchsichtig.

Die Forscher berichten heute (15. Januar) in Nature: „Die Arbeit stellt ein Paradigma dar, um eine beispiellose Kombination von Eigenschaften und Funktionalitäten durch ferroelektrisches Domänen-Engineering zu erreichen, und die neuen transparenten ferroelektrischen Kristalle, über die hier berichtet wird, dürften ein breites Spektrum an Hybriden eröffnen.“ Geräteanwendungen wie medizinische Bildgebung, selbstenergiesammelnde Touchscreens und unsichtbare Robotergeräte.“

Andere, die an diesem Projekt von Penn State aus arbeiten, sind Bo Wang, Doktorand in Materialwissenschaft und -technik, und Thomas Shrout, emeritierter Professor und leitender Wissenschaftler in Materialwissenschaft und -technik.

Zu den Forschern anderer Institutionen gehören Shujun Zhang, Professor für Materialwissenschaften, früher an der Penn State und jetzt an der University of Wollongong in Australien; Chaorui Qiu, Nan Zhang, Jinfeng Liu, Zhuo Xu und Fei Li, alle vom Electronic Materials Research Lab der Xi'an Jiaotong University in China; David Walker vom Fachbereich Physik der University of Warwick im Vereinigten Königreich; und Yu Wang und Hao Tan, beide an der Fakultät für Physik des Harbin Institute of Technology in China.

Die Forscher von Penn State und der Xi'an Jiaotong University haben gemeinsam ein US-Patent für diese Arbeit angemeldet.

Die National Natural Science Foundation of China, die US National Science Foundation und das US National Science Foundation Materials Research Science and Engineering Center unterstützten diese Arbeit. Die Computersimulationen wurden im Pittsburgh Supercomputing Center durchgeführt.

Andrea Elyse Messer

Katie Bohn

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