Blog

Jul 15, 2023

Ultrahohe piezoelektrische Leistung in Keramikmaterialien demonstriert

18. Mai 2022 von Jamie

18. Mai 2022

von Jamie Oberdick, Pennsylvania State University

Die Fähigkeit piezoelektrischer Materialien, mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln und umgekehrt, macht sie für verschiedene Anwendungen nützlich, von der Robotik über die Kommunikation bis hin zu Sensoren. Laut einem Forscherteam der Penn State University und der Michigan Technological University öffnet eine neue Designstrategie zur Herstellung ultrahochleistungsfähiger piezoelektrischer Keramik die Tür zu noch vorteilhafteren Einsatzmöglichkeiten dieser Materialien.

„Piezoelektrische polykristalline Keramiken zeigten im Vergleich zu Einkristallen lange Zeit eine begrenzte piezoelektrische Reaktion“, sagte Shashank Priya, stellvertretender Vizepräsident für Forschung und Professor für Materialwissenschaften und -technik an der Penn State und Mitautor der im veröffentlichten Studie Zeitschrift Advanced Science. „Es gibt viele Mechanismen, die die Größe der Piezoelektrizität in polykristallinen Keramikmaterialien begrenzen. In dieser Arbeit demonstrieren wir einen neuartigen Mechanismus, der es uns ermöglicht, die Größe des piezoelektrischen Koeffizienten um ein Vielfaches zu erhöhen, als es normalerweise für eine Keramik erwartet wird.“

Der piezoelektrische Koeffizient, der den Grad der piezoelektrischen Reaktion eines Materials beschreibt, wird in Picocoulomb pro Newton gemessen.

„Wir haben fast 2.000 Picocoulomb pro Newton erreicht, was ein erheblicher Fortschritt ist, denn in polykristalliner Keramik war diese Größenordnung immer auf etwa 1.000 Picocoulomb pro Newton begrenzt“, sagte Priya. „2.000 galten in der Keramikbranche als unerreichbares Ziel, daher ist es sehr dramatisch, diese Zahl zu erreichen.“

Der Weg zur Entdeckung des neuen Mechanismus begann mit der Frage: Welche Faktoren steuern die Größe der piezoelektrischen Konstante? Die piezoelektrische Konstante ist die Ladung, die durch eine Einheit der angelegten Kraft, Picocoulomb pro Newton, erzeugt wird, die wiederum von Effekten abhängt, die auf atomarer bis mesoskaliger Ebene auftreten.

„Wir haben uns gefragt, welche grundlegenden Auswirkungen die grundlegenden Parameter auf fast atomarer Ebene haben, die die Reaktion begrenzen oder steuern?“ Sagte Priya. „Mithilfe des am Michigan Tech entwickelten Multiskalenmodells, das eine Kombination verschiedener Modellierungstechniken zur Überbrückung der Längenskala darstellt, haben wir eine sehr detaillierte Untersuchung zweier Phänomene durchgeführt.“

Eine davon war die chemische Heterogenität, die beschreibt, wie Atome verschiedener Elemente in einem Material auf der Nanoskala verteilt sind. Dies ist wichtig, da die unterschiedlichen Atompositionen und die Orte, die sie einnehmen, für die piezoelektrische Reaktion entscheidend sind. Der zweite ist die Anisotropie, der Einfluss der kristallographischen Orientierung. Dies ist wichtig, da die piezoelektrischen Eigenschaften in einem Material entlang einer bestimmten kristallographischen Richtung höher sind.

„Stellen Sie sich das Material wie einen Würfel vor – ein Würfel hat verschiedene Achsen, eine Flächendiagonale und eine Körperdiagonale, und so ändert sich die piezoelektrische Reaktion in all diesen verschiedenen Richtungen“, Yu U. Wang, Professor für Materialwissenschaft und -technik, Michigan Technical Universität, sagte. „Und so zeigen wir, dass wir durch die Ausrichtung aller Körner in einem Keramikmaterial entlang bestimmter kristallographischer Achsen eine sehr hohe piezoelektrische Reaktion erzielen können. Wir haben ein sehr hohes Maß an lokaler Heterogenität und eine sehr hohe Kornorientierung im Keramikmaterial erzeugt.“ und die Kombination dieser beiden grundlegenden Steuerungsparameter führte zu einer hohen piezoelektrischen Reaktion in Keramik.“

Die Forscher fanden heraus, dass, wenn man der Keramik eine kleine Menge des Seltenerdelements Europium hinzufügt, das Europium die Ecke des kubischen Gitters einnimmt. Dadurch entsteht die chemische Heterogenität im Material, die für eine hohe piezoelektrische Reaktion erforderlich ist. Die Forscher konnten die Reaktion weiter verstärken, indem sie 99 % der Kristallkörner orientierten.

Laut Yongke Yan, außerordentlicher Forschungsprofessor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen und Hauptautor dieser Studie, wurde die Kombination dieser beiden Effekte bisher noch nicht untersucht.

„Ich denke, dieser Mechanismus, den wir identifizieren konnten, führt nicht nur zu einer Leistungssteigerung, sondern zu einer dramatischen Leistungssteigerung und bringt ihn nahe an den Idealwert, der viel höher ist, als viele Menschen erwarten würden“, sagte Yan.

Um die notwendigen Daten zum Nachweis ihres Konzepts zu sammeln, arbeiteten Priya und sein Team mit Dabin Lin, einem ehemaligen Gastwissenschaftler am Materials Research Institute (MRI) der Penn State University und derzeit Dozent für Photoelektrotechnik an der Xi'an Technological University in China, und Ke zusammen Wang, MRI-Mitarbeiter im Materialcharakterisierungslabor von MRI. Dazu gehörte die Erfassung von Transmissionselektronenmikroskopdaten durch Scannen der Keramikmaterialien, die sie mit Techniken der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDS) kombinierten. EDS kann bestimmen, welche chemischen Elemente vorhanden sind, und ermöglicht es Forschern, auf der Ebene einzelner Atome zu „erkennen“, dass das Europium in der Keramik auf eine Weise vorhanden ist, die ihr die für eine hohe piezoelektrische Reaktion erforderliche Heterogenität verleiht.

Diese Erkenntnisse haben das Potenzial, zu verbesserten und sogar neuartigen piezoelektrischen Materialien mit einer Vielzahl neuer Aktuator- und Wandleranwendungen zu führen. Dies könnte bessere Robotik, Sensoren, Transformatoren, Ultraschallmotoren und medizinische Technologien bedeuten. Da die ultrahohen piezoelektrischen Keramiken in der Studie außerdem mit herkömmlichen Mehrschicht-Herstellungsverfahren verarbeitet werden können, wären die Materialien kostengünstig und skalierbar.

„Menschen profitieren von Elektronik, und sie ist in so vielen Dingen präsent, wie zum Beispiel in Robotern, Mikroskopen, Transportsystemen, jedem persönlichen Gerät mit einem Bildschirm wie einem Telefon, medizinischen Geräten wie Körperbildgebungs- oder Scan-Tools und sogar in Dingen, die in verwendet werden.“ Weltraumforschung wie Roboter, die außerhalb eines Raumschiffs operieren könnten“, sagte Priya. „All diese Dinge können mit ultrahoher piezoelektrischer Keramik verbessert werden.“

Mehr Informationen: Yongke Yan et al., Ultrahohe piezoelektrische Leistung durch synergistische Kompositions- und Mikrostrukturtechnik, Advanced Science (2022). DOI: 10.1002/advs.202105715

Zeitschrifteninformationen:Fortgeschrittene Wissenschaft

Zur Verfügung gestellt von der Pennsylvania State University