Ilustración fenomenológica y simulación de campo de fase de piezoelectricidad mejorada a través de heterogeneidad estructural local e ingeniería de texturas. A) Energía libre de Landau de ferroeléctricos con diferente fracción volumétrica de la heterogeneidad estructural local. B) Distribución de polarización simulada de campo de fase de PMN-PT con 5% de heterogeneidades. C) Diagrama esquemático de distribuciones de orientación de grano en policristales aleatorios y texturizados. D) Perfiles de energía libre de Landau con respecto a la componente de polarización Pz (normalizado por polarización saturada Ps ) a lo largo de la dirección polarizada z para policristales texturizados y aleatorios, donde el recuadro muestra el correspondiente d33 incremento. E) Distribución de polarización simulada de campo de fase de [001]PC- policristal PMN-PT texturizado con 5% de heterogeneidades (dopado) después de polarización eléctrica en la dirección z. F) Simulación de campo de fase de la polarización remanente Pr , permitividad dieléctrica ε33 , y coeficiente piezoeléctrico longitudinal d33 para policristales no dopados, dopados y dopados+texturizados. Nota:x, y y z se definen en la "coordenada de laboratorio", mientras que las direcciones marcadas con corchetes se definen en la "coordenada cristalográfica", y z es la dirección polarizada que coincide con [001] para [001] PC- policristal texturizado en nuestras simulaciones. Crédito:Ciencia avanzada (2022). DOI:10.1002/advs.202105715
La capacidad de los materiales piezoeléctricos para convertir la energía mecánica en energía eléctrica y viceversa los hace útiles para diversas aplicaciones, desde la robótica hasta la comunicación y los sensores. Una nueva estrategia de diseño para crear cerámicas piezoeléctricas de ultra alto rendimiento abre la puerta a usos aún más beneficiosos para estos materiales, según un equipo de investigadores de Penn State y la Universidad Tecnológica de Michigan.
"Durante mucho tiempo, las cerámicas policristalinas piezoeléctricas han mostrado una respuesta piezoeléctrica limitada en comparación con los monocristales", dijo Shashank Priya, vicepresidente asociado de investigación y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Penn State y coautor del estudio publicado en la revista Revista Ciencia Avanzada . "Hay muchos mecanismos que limitan la magnitud de la piezoelectricidad en los materiales cerámicos policristalinos. En este artículo, demostramos un mecanismo novedoso que nos permite aumentar la magnitud del coeficiente piezoeléctrico varias veces más de lo que normalmente se espera para una cerámica".
El coeficiente piezoeléctrico, que describe el nivel de respuesta piezoeléctrica de un material, se mide en picoculombios por Newton.
"Logramos cerca de 2000 picoculombios por Newton, lo que es un avance significativo, porque en las cerámicas policristalinas, esta magnitud siempre se ha limitado a alrededor de 1000 picoculombios por Newton", dijo Priya. "2000 se consideraba un objetivo inalcanzable en la comunidad de la cerámica, por lo que lograr ese número es muy dramático".
El camino para descubrir el nuevo mecanismo comenzó con una pregunta:¿Qué factores controlan la magnitud de la constante piezoeléctrica? La constante piezoeléctrica es la carga generada por una unidad de fuerza aplicada, picoculombios por Newton, que a su vez depende de los efectos que ocurren en la escala atómica a mesoescala.
"Nos preguntamos cuáles son algunos efectos básicos, casi a escala atómica, de los parámetros fundamentales que limitan o controlan la respuesta". Priya dijo. "Usando el modelo multiescala desarrollado en Michigan Tech, que es una combinación de diferentes técnicas de modelado para unir la escala de longitud, llevamos a cabo una investigación muy detallada sobre dos fenómenos".
Uno fue la heterogeneidad química, que describe cómo los átomos de diferentes elementos en un material se distribuyen a nanoescala. Esto es importante porque las diferentes posiciones atómicas y los sitios que ocupan son críticos para la respuesta piezoeléctrica. El segundo es la anisotropía, la influencia de la orientación cristalográfica. Esto es importante porque las propiedades piezoeléctricas de un material son más altas a lo largo de una determinada dirección cristalográfica.
"Imagínese que el material es como un cubo:un cubo tiene diferentes ejes, una cara diagonal y una diagonal del cuerpo, por lo que la respuesta piezoeléctrica cambia en todas estas direcciones diferentes", Yu U. Wang, profesor de ciencia e ingeniería de materiales, Michigan Technical Universidad, dijo. "Entonces, mostramos que al alinear todos los granos en un material cerámico a lo largo de ciertos ejes cristalográficos, podemos obtener una respuesta piezoeléctrica muy alta. Creamos una cantidad muy alta de heterogeneidad local y una orientación de grano muy alta en el material cerámico, y la combinación de estos dos parámetros básicos de control condujo a una alta respuesta piezoeléctrica en la cerámica".
Los investigadores descubrieron que si agrega una pequeña cantidad de europio, un elemento de tierras raras, a la cerámica, el europio ocupará la esquina de la red cúbica. Esto crea la heterogeneidad química en el material que es necesaria para una alta respuesta piezoeléctrica. Los investigadores pudieron amplificar aún más la respuesta al orientar el 99% de los granos de cristal.
La combinación de estos dos efectos no se ha explorado antes, según Yongke Yan, profesor asociado de investigación en ciencia e ingeniería de materiales y autor principal de este estudio.
"Creo que este mecanismo que pudimos identificar no solo conduce a una mejora, sino que conduce a una mejora espectacular y lo acerca al valor ideal, que es mucho más alto de lo que mucha gente esperaría", dijo Yan.
Para recopilar los datos necesarios para probar su concepto, Priya y su equipo trabajaron con Dabin Lin, anteriormente académico visitante del Instituto de Investigación de Materiales (MRI) de Penn State y actualmente profesor de ingeniería fotoeléctrica en la Universidad Tecnológica de Xi'an en China, y Ke Wang, científico del personal de MRI en el Laboratorio de Caracterización de Materiales de MRI. Esto incluyó la recopilación de datos del microscopio electrónico de transmisión escaneando los materiales cerámicos, que combinaron con técnicas de espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDS). EDS puede determinar qué elementos químicos están presentes y permite a los investigadores "ver" a nivel de un solo átomo que el europio está presente en la cerámica de una manera que le da la heterogeneidad necesaria para una alta respuesta piezoeléctrica.
Estos hallazgos tienen el potencial de conducir a materiales piezoeléctricos mejorados e incluso novedosos, con una variedad de nuevas aplicaciones de actuadores y transductores. Esto podría significar mejores robótica, sensores, transformadores, motores ultrasónicos y tecnologías médicas. Además, dado que las cerámicas piezoeléctricas ultraaltas del estudio pueden procesarse mediante procesos tradicionales de fabricación multicapa, los materiales serían rentables y escalables.
"La gente se beneficia de la electrónica, y está presente en muchas cosas, como robots, microscopios, sistemas de transporte, cualquier dispositivo personal con una pantalla como un teléfono, dispositivos médicos como imágenes corporales o herramientas de escaneo, e incluso cosas que se usan en exploración espacial como robots que podrían operar fuera de una nave espacial", dijo Priya. "Todas estas cosas se pueden mejorar con cerámica piezoeléctrica ultraalta". Un nuevo compuesto piezoeléctrico flexible para impresión 3D
