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Jan 27, 2024

Transparencia descubierta en cristales con ultra alta piezoelectricidad

Cristal transparente de material piezoeléctrico comparando cristales que fueron

Cristal transparente de material piezoeléctrico que compara cristales que fueron tratados con campos eléctricos AC o DC. Crédito: Bo Wang, Penn State. Reservados todos los derechos.

15 de enero de 2020

Por A'ndrea Elyse Messer

UNIVERSITY PARK, Pa. — El uso de un campo eléctrico de CA en lugar de CC puede mejorar la respuesta piezoeléctrica de un cristal. Ahora, un equipo internacional de investigadores dice que los ciclos de los campos de CA también hacen que los dominios de cristal internos en algunos materiales sean más grandes y transparentes.

"Ha habido informes de que el uso de campos de CA podría mejorar significativamente las respuestas piezoeléctricas, por ejemplo, entre un 20 % y un 40 %, sobre los campos de CC y las mejoras siempre se han atribuido a los tamaños de dominio ferroeléctrico interno más pequeños que resultaron de los ciclos de campos de CA", dijo Long-Qing Chen, profesor Hamer de ciencia e ingeniería de materiales, profesor de ingeniería y mecánica, y profesor de matemáticas en Penn State. "Hace unos tres años, el Dr. Fei Li, entonces investigador asociado en el Instituto de Investigación de Materiales en Penn State, confirmó en gran medida la mejora del rendimiento piezoeléctrico a partir de la aplicación de campos de CA. Sin embargo, no estaba claro en absoluto cómo los dominios ferroeléctricos internos evolucionado durante los ciclos AC.

"Nuestro grupo se dedica principalmente al modelado por computadora, y hace más de un año comenzamos a investigar qué sucede con las estructuras de dominio internas si aplicamos campos de CA a un cristal piezoeléctrico ferroeléctrico. Tenemos mucha curiosidad acerca de cómo evolucionan las estructuras de dominio durante los ciclos de CA. Nuestras simulaciones por computadora y cálculos teóricos mostraron una respuesta piezoeléctrica mejorada, pero nuestras simulaciones también demostraron que los tamaños de los dominios ferroeléctricos en realidad aumentaron durante los ciclos de CA en lugar de reducirse como se informa en la literatura".

Los materiales piezoeléctricos generan cargas eléctricas cuando se aplica una fuerza mecánica y se deforman o cambian de forma cuando se aplica un campo eléctrico. Los investigadores estudiaron el niobato de magnesio y titanato de plomo (PMN-PT), un material piezoeléctrico disponible en el mercado. Los resultados computacionales fueron inesperados porque la mayoría de la gente en la comunidad piezoeléctrica cree que cuanto más pequeños son los dominios, mayor es la respuesta piezoeléctrica.

Antes de la alineación de los dipolos o la polarización de un cristal PMN-PT mediante un campo eléctrico, existen muchos dominios diminutos con polarización en diferentes direcciones. A medida que se aplican ciclos de campos eléctricos de CA al cristal, los dominios se realinean, haciéndose menos y más grandes. Después de varios ciclos de AC, los dominios son grandes y en capas. Crédito: Long-Qing Chen, Penn State.

Los dominios dentro de un cristal son áreas dentro de las cuales los dipolos eléctricos o la polarización eléctrica se organizan en la misma dirección. Antes de la alineación de los dipolos o la polarización de un cristal PMN-PT mediante un campo eléctrico, hay muchos dominios diminutos con polarización en diferentes direcciones. A medida que se aplican ciclos de campos eléctricos de CA al cristal, los dominios se realinean, haciéndose menos y más grandes. Después de varios ciclos de AC, los dominios son grandes y en capas.

"Los resultados de la simulación contradecían los informes de la literatura", dijo Chen. "Necesitábamos profundizar más para ver si la realidad concuerda con los resultados de nuestra simulación".

Luego, los investigadores de la Universidad Xi'an Jiaotong en China cultivaron sus propios cristales PMN-PT y examinaron cuidadosamente las configuraciones de dominio dentro de sus muestras utilizando varias técnicas de caracterización experimental en diferentes condiciones de ciclos de CA. Confirmaron las predicciones computacionales de Penn State de que los dominios en realidad se hacen más grandes durante los ciclos AC.

El tamaño de dominio más grande y las estructuras de dominio de capa particulares también sugieren que un rayo de luz que brille sobre el cristal no tendría obstáculos y brillaría a través del cristal: el cristal sería transparente. Los cristales no solo poseen una piezoelectricidad ultra alta, sino que también son muy transparentes después de que sus superficies se pulen cuidadosamente. En el pasado, los cristales como este siempre han sido opacos.

Los investigadores informan hoy (15 de enero) en Nature que "el trabajo presenta un paradigma para lograr una combinación sin precedentes de propiedades y funcionalidades a través de la ingeniería del dominio ferroeléctrico, y se espera que los nuevos cristales ferroeléctricos transparentes informados aquí abran una amplia gama de híbridos". aplicaciones de dispositivos, como imágenes médicas, pantallas táctiles de recolección de energía propia y dispositivos robóticos invisibles".

Otros que trabajan en este proyecto desde Penn State son Bo Wang, estudiante graduado en ciencia e ingeniería de materiales, y Thomas Shrout, profesor emérito y científico principal en ciencia e ingeniería de materiales.

Los investigadores de otras instituciones incluyen a Shujun Zhang, profesor de ciencia de materiales anteriormente en Penn State y ahora en la Universidad de Wollongong en Australia; Chaorui Qiu, Nan Zhang, Jinfeng Liu, Zhuo Xu y Fei Li, todos del Laboratorio de Investigación de Materiales Electrónicos de la Universidad Xi'an Jiaotong en China; David Walker en el Departamento de Física de la Universidad de Warwick en el Reino Unido; y Yu Wang y Hao Tan, ambos de la Escuela de Física del Instituto de Tecnología de Harbin en China.

Los investigadores de Penn State y la Universidad Xi'an Jiaotong han solicitado conjuntamente una patente estadounidense sobre este trabajo.

La Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y el Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. apoyaron este trabajo. Las simulaciones por computadora se realizaron en el Centro de Supercomputación de Pittsburgh.

Andrea Elyse Messer

Katie Bohn

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