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 cristalinos internos en algunos materiales sean más grandes y el cristal transparente.

"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 los dominios ferroeléctricos internos 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, Dr. Fei Li, luego un asociado de investigación en el Instituto de Investigación de Materiales en Penn State, confirmó en gran medida la mejora de los rendimientos piezoeléctricos de la aplicación de campos de CA. Sin embargo, no estaba claro en absoluto cómo evolucionaron los dominios ferroeléctricos internos durante los ciclos de CA.

"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 interno si aplicamos campos de CA a un cristal piezoeléctrico ferroeléctrico. Tenemos mucha curiosidad sobre cómo evolucionan las estructuras de dominio durante los ciclos AC. 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 se hicieron más grandes durante los ciclos de CA en lugar de más pequeños 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 titanato de plomo-niobato de magnesio y plomo (PMN-PT), un material piezoeléctrico disponible comercialmente. Los resultados computacionales fueron inesperados porque la mayoría de la gente en la comunidad piezoeléctrica cree que cuanto más pequeños son los dominios, cuanto mayor sea la respuesta piezoeléctrica.

Los dominios dentro de un cristal son áreas dentro de las cuales los dipolos eléctricos o la polarización eléctrica se disponen en la misma dirección. Antes de la alineación de dipolos o polarización de un cristal PMN-PT usando 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, cada vez son menos y más grandes. Después de varios ciclos de CA, 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 de Xi'an Jiaotong en China cultivaron sus propios cristales de PMN-PT y examinaron cuidadosamente las configuraciones de dominio dentro de sus muestras utilizando varias técnicas de caracterización experimentales en diferentes condiciones de ciclo de CA. Confirmaron las predicciones computacionales de Penn State de que los dominios en realidad se vuelven más grandes durante los ciclos de CA.

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

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