Исследователи из Китая и Австралии совершили значительный прорыв в области пьезоэлектрических материалов, достигнув сверхвысокой электродеформации в 1,9% в бессвинцовой пьезокерамике на основе (K,Na)NbO₃ (KNN). Этот результат сопровождается беспрецедентным эффективным пьезоэлектрическим коэффициентом, превышающим 6300 пм/В при комнатной температуре, электрическом поле 3 кВ/мм и частоте 1 Гц.
Международная команда, включающая ученых из Университета Цинхуа, Пекинского технологического института, Университета Вуллонгонга (Австралия) и Хэфэйского института физических наук Китайской академии наук, опубликовала свои результаты в престижном журнале Nature Materials. Исследование проводилось с использованием спектрометра электронного спинового резонанса на базе Экспериментальной установки постоянного сильного магнитного поля (SHMFF).
Традиционные пьезокерамические материалы обычно демонстрируют электродеформацию менее 1%. В 2022 году исследователям удалось достичь показателя в 1,04% при комнатной температуре в KNN-керамике с инженерно внедренными дефектами. Нынешний прорыв с показателем 1,9% представляет собой значительный скачок в характеристиках пьезоэлектрических материалов.
Для достижения этого результата ученые использовали KNN-керамику, спеченную под горячим прессованием и подвергнутую отжигу. В ходе экспериментов они обнаружили зависимость электродеформационного отклика от толщины образца. Примечательно, что разработанный материал демонстрирует исключительную стабильность при изменении частоты и температуры, а также высокую устойчивость к усталостным явлениям.
Ключевым открытием стал механизм, лежащий в основе наблюдаемого эффекта. Исследователи установили, что неоднородно распределенные кислородные вакансии под воздействием электрического поля вызывают значительные изменения объема в поверхностных элементарных ячейках. Это привело к введению нового концепта — «хемопьезоэлектрического эффекта», который объясняет взаимодействие между пьезоэлектрическими эффектами, переключением сегнетоэлектрических доменов, электрострикцией и миграцией кислородных вакансий на короткие расстояния.
«Хемопьезоэлектрический эффект представляет собой новый механизм, который может существенно расширить наше понимание функциональных материалов», — отмечается в исследовании. Этот эффект объясняет, как химические изменения на микроуровне могут приводить к макроскопическим механическим деформациям, что открывает новые перспективы для проектирования высокоэффективных материалов.
Достигнутый прорыв имеет значительный потенциал для практического применения. Новые материалы могут найти применение в многослойных пьезоэлектрических актуаторах с использованием технологии ламинированного штабелирования. Кроме того, исследование предоставляет ценные рекомендации для дальнейших разработок в области интеллектуальных материалов, гибкой электроники и микро/наноактуационных систем.
Особую ценность представляет тот факт, что разработанные материалы не содержат свинца, что делает их экологически безопасной альтернативой традиционным пьезоэлектрическим материалам на основе свинца. Это соответствует глобальному тренду на разработку экологически чистых технологий и материалов, отвечающих современным требованиям устойчивого развития.
Изображение носит иллюстративный характер
Международная команда, включающая ученых из Университета Цинхуа, Пекинского технологического института, Университета Вуллонгонга (Австралия) и Хэфэйского института физических наук Китайской академии наук, опубликовала свои результаты в престижном журнале Nature Materials. Исследование проводилось с использованием спектрометра электронного спинового резонанса на базе Экспериментальной установки постоянного сильного магнитного поля (SHMFF).
Традиционные пьезокерамические материалы обычно демонстрируют электродеформацию менее 1%. В 2022 году исследователям удалось достичь показателя в 1,04% при комнатной температуре в KNN-керамике с инженерно внедренными дефектами. Нынешний прорыв с показателем 1,9% представляет собой значительный скачок в характеристиках пьезоэлектрических материалов.
Для достижения этого результата ученые использовали KNN-керамику, спеченную под горячим прессованием и подвергнутую отжигу. В ходе экспериментов они обнаружили зависимость электродеформационного отклика от толщины образца. Примечательно, что разработанный материал демонстрирует исключительную стабильность при изменении частоты и температуры, а также высокую устойчивость к усталостным явлениям.
Ключевым открытием стал механизм, лежащий в основе наблюдаемого эффекта. Исследователи установили, что неоднородно распределенные кислородные вакансии под воздействием электрического поля вызывают значительные изменения объема в поверхностных элементарных ячейках. Это привело к введению нового концепта — «хемопьезоэлектрического эффекта», который объясняет взаимодействие между пьезоэлектрическими эффектами, переключением сегнетоэлектрических доменов, электрострикцией и миграцией кислородных вакансий на короткие расстояния.
«Хемопьезоэлектрический эффект представляет собой новый механизм, который может существенно расширить наше понимание функциональных материалов», — отмечается в исследовании. Этот эффект объясняет, как химические изменения на микроуровне могут приводить к макроскопическим механическим деформациям, что открывает новые перспективы для проектирования высокоэффективных материалов.
Достигнутый прорыв имеет значительный потенциал для практического применения. Новые материалы могут найти применение в многослойных пьезоэлектрических актуаторах с использованием технологии ламинированного штабелирования. Кроме того, исследование предоставляет ценные рекомендации для дальнейших разработок в области интеллектуальных материалов, гибкой электроники и микро/наноактуационных систем.
Особую ценность представляет тот факт, что разработанные материалы не содержат свинца, что делает их экологически безопасной альтернативой традиционным пьезоэлектрическим материалам на основе свинца. Это соответствует глобальному тренду на разработку экологически чистых технологий и материалов, отвечающих современным требованиям устойчивого развития.
