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Jan 27, 2024

Trasparenza scoperta in cristalli con piezoelettricità ultraelevata

Transparent crystal of piezoelectric material comparing crystals that were

Cristallo trasparente di materiale piezoelettrico che confronta cristalli trattati con campi elettrici CA o CC. Credito: Bo Wang, Penn State. Tutti i diritti riservati.

15 gennaio 2020

Di Andrea Elyse Messer

PARCO UNIVERSITARIO, Pennsylvania — L'uso di un campo elettrico CA anziché CC può migliorare la risposta piezoelettrica di un cristallo. Ora, un team internazionale di ricercatori afferma che i cicli dei campi AC rendono anche i domini cristallini interni di alcuni materiali più grandi e il cristallo trasparente.

"Ci sono rapporti secondo cui l'uso di campi CA potrebbe migliorare significativamente le risposte piezoelettriche - ad esempio dal 20% al 40% - rispetto ai campi CC e i miglioramenti sono sempre stati attribuiti alle dimensioni più piccole dei domini ferroelettrici interni risultanti dai cicli di Campi AC", ha affermato Long-Qing Chen, professore di scienza e ingegneria dei materiali ad Hamer, professore di ingegneria e meccanica e professore di matematica alla Penn State. "Circa tre anni fa, il dottor Fei Li, allora ricercatore associato presso il Materials Research Institute della Penn State, confermò ampiamente il miglioramento delle prestazioni piezoelettriche derivanti dall'applicazione di campi AC. Tuttavia, non era affatto chiaro come i domini ferroelettrici interni evoluto durante i cicli AC.

"Il nostro gruppo si occupa principalmente di modellazione computerizzata e più di un anno fa abbiamo iniziato a esaminare cosa accade alle strutture dei domini interni se applichiamo campi CA a un cristallo piezoelettrico ferroelettrico. Siamo molto curiosi di sapere come si evolvono le strutture dei domini durante i cicli CA. Le nostre simulazioni al computer e i calcoli teorici hanno mostrato una risposta piezoelettrica migliorata, ma le nostre simulazioni hanno anche dimostrato che le dimensioni dei domini ferroelettrici in realtà aumentavano durante i cicli AC anziché ridursi come riportato in letteratura."

I materiali piezoelettrici generano cariche elettriche quando viene applicata una forza meccanica e si deformano o cambiano forma quando viene applicato un campo elettrico. I ricercatori hanno studiato il titanato di piombo e niobato di piombo – PMN-PT – un materiale piezoelettrico disponibile in commercio. I risultati computazionali sono stati inaspettati perché la maggior parte delle persone nella comunità piezoelettrica ritiene che quanto più piccoli sono i domini, tanto maggiore è la risposta piezoelettrica.

Prima dell'allineamento dei dipoli o della polarizzazione di un cristallo PMN-PT utilizzando un campo elettrico ci sono molti piccoli domini con polarizzazione lungo direzioni diverse. Quando al cristallo vengono applicati cicli di campi elettrici AC, i domini si riallineano, diventando sempre meno numerosi e più grandi. Dopo diversi cicli AC, i domini sono grandi e disposti a strati. Credito: Long-Qing Chen, Penn State.

I domini all'interno di un cristallo sono aree all'interno delle quali i dipoli elettrici o la polarizzazione elettrica si dispongono lungo la stessa direzione. Prima dell'allineamento dei dipoli o della polarizzazione di un cristallo PMN-PT utilizzando un campo elettrico, ci sono molti piccoli domini con polarizzazione lungo direzioni diverse. Quando al cristallo vengono applicati cicli di campi elettrici AC, i domini si riallineano, diventando sempre meno numerosi e più grandi. Dopo diversi cicli AC, i domini sono grandi e disposti a strati.

"I risultati della simulazione erano in contraddizione con quanto riportato in letteratura", ha detto Chen. "Avevamo bisogno di scavare più a fondo per vedere se la realtà concorda con i risultati della nostra simulazione."

I ricercatori dell'Università di Xi'an Jiaotong in Cina hanno poi coltivato i propri cristalli PMN-PT e hanno esaminato attentamente le configurazioni dei domini all'interno dei loro campioni utilizzando varie tecniche di caratterizzazione sperimentale in diverse condizioni di ciclo AC. Hanno confermato le previsioni computazionali della Penn State secondo cui i domini diventano effettivamente più grandi durante i cicli AC.

La dimensione più grande del dominio e la particolare struttura dei domini a strati suggeriscono anche che un raggio di luce irradiato sul cristallo non avrebbe ostacoli e risplenderebbe attraverso: il cristallo sarebbe trasparente. I cristalli non solo possiedono una piezoelettricità ultraelevata, ma sono anche altamente trasparenti dopo che le loro superfici sono state accuratamente lucidate. In passato cristalli come questo sono sempre stati opachi.