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Jan 27, 2024

Transparence découverte dans les cristaux à piézoélectricité ultra-élevée

Cristal transparent de matériau piézoélectrique comparant des cristaux qui ont été

Cristal transparent de matériau piézoélectrique comparant des cristaux qui ont été traités avec des champs électriques AC ou DC. Crédit : Bo Wang, Penn State. Tous les droits sont réservés.

15 janvier 2020

Par A'ndrea Elyse Messer

UNIVERSITY PARK, Pennsylvanie — L'utilisation d'un champ électrique CA plutôt que CC peut améliorer la réponse piézoélectrique d'un cristal. Maintenant, une équipe internationale de chercheurs affirme que les cycles de champs alternatifs rendent également les domaines cristallins internes de certains matériaux plus grands et le cristal transparent.

"Il a été rapporté que l'utilisation de champs alternatifs pourrait améliorer considérablement les réponses piézoélectriques - par exemple de 20% à 40% - par rapport aux champs continus et les améliorations ont toujours été attribuées aux plus petites tailles de domaines ferroélectriques internes résultant des cycles de champs de courant alternatif », a déclaré Long-Qing Chen, professeur Hamer de science et d'ingénierie des matériaux, professeur de sciences de l'ingénieur et de mécanique et professeur de mathématiques à Penn State. "Il y a environ trois ans, le Dr Fei Li, alors chercheur associé au Materials Research Institute de Penn State, a largement confirmé l'amélioration des performances piézoélectriques grâce à l'application de champs alternatifs. Cependant, on ne savait pas du tout comment les domaines ferroélectriques internes évolué au cours des cycles AC.

"Notre groupe fait principalement de la modélisation informatique, et il y a plus d'un an, nous avons commencé à étudier ce qui arrive aux structures de domaine internes si nous appliquons des champs AC à un cristal piézoélectrique ferroélectrique. Nous sommes très curieux de savoir comment les structures de domaine évoluent pendant les cycles AC. Nos simulations informatiques et nos calculs théoriques ont montré une réponse piézoélectrique améliorée, mais nos simulations ont également démontré que la taille des domaines ferroélectriques s'est en fait agrandie pendant les cycles AC plutôt que réduite comme indiqué dans la littérature."

Les matériaux piézoélectriques génèrent des charges électriques lorsqu'une force mécanique est appliquée et se déforment ou changent de forme lorsqu'un champ électrique est appliqué. Les chercheurs ont étudié le niobate de plomb-magnésium-titanate de plomb - PMN-PT - un matériau piézoélectrique disponible dans le commerce. Les résultats de calcul étaient inattendus car la plupart des membres de la communauté piézoélectrique pensent que plus les domaines sont petits, plus la réponse piézoélectrique est élevée.

Avant l'alignement des dipôles ou la polarisation d'un cristal PMN-PT à l'aide d'un champ électrique, il existe de nombreux domaines minuscules avec une polarisation dans différentes directions. Au fur et à mesure que des cycles de champs électriques alternatifs sont appliqués au cristal, les domaines se réalignent, devenant moins nombreux et plus grands. Après plusieurs cycles AC, les domaines sont grands et en couches. Crédit : Long-Qing Chen, Penn State.

Les domaines à l'intérieur d'un cristal sont des zones dans lesquelles les dipôles électriques ou la polarisation électrique s'organisent dans la même direction. Avant l'alignement des dipôles ou la polarisation d'un cristal PMN-PT à l'aide d'un champ électrique, il existe de nombreux domaines minuscules avec une polarisation dans différentes directions. Au fur et à mesure que des cycles de champs électriques alternatifs sont appliqués au cristal, les domaines se réalignent, devenant moins nombreux et plus grands. Après plusieurs cycles AC, les domaines sont grands et en couches.

"Les résultats de la simulation étaient en contradiction avec les rapports de la littérature", a déclaré Chen. "Nous devions creuser plus profondément pour voir si la réalité concordait avec nos résultats de simulation."

Des chercheurs de l'Université Xi'an Jiaotong en Chine ont ensuite développé leurs propres cristaux PMN-PT et ont soigneusement examiné les configurations de domaine dans leurs échantillons à l'aide de diverses techniques de caractérisation expérimentales dans différentes conditions de cycle AC. Ils ont confirmé les prédictions informatiques de Penn State selon lesquelles les domaines deviennent en fait plus grands pendant les cycles AC.

La plus grande taille de domaine et les structures de domaine de couche particulières suggèrent également qu'un rayon de lumière projeté sur le cristal serait sans entrave et brillerait à travers - le cristal serait transparent. Les cristaux possèdent non seulement une piézoélectricité ultra-élevée, mais sont également très transparents après que leurs surfaces ont été soigneusement polies. Dans le passé, des cristaux comme celui-ci ont toujours été opaques.

Les chercheurs rapportent aujourd'hui (15 janvier) dans Nature que "le travail présente un paradigme pour obtenir une combinaison sans précédent de propriétés et de fonctionnalités grâce à l'ingénierie du domaine ferroélectrique, et les nouveaux cristaux ferroélectriques transparents rapportés ici devraient ouvrir une large gamme d'hybrides applications d'appareils, telles que l'imagerie médicale, les écrans tactiles à récupération d'énergie et les appareils robotiques invisibles. »

Bo Wang, étudiant diplômé en science et génie des matériaux, et Thomas Shrout, professeur émérite et chercheur principal en science et génie des matériaux, travaillent également sur ce projet depuis Penn State.

Les chercheurs d'autres institutions incluent Shujun Zhang, professeur de science des matériaux anciennement à Penn State et maintenant à l'Université de Wollongong en Australie; Chaorui Qiu, Nan Zhang, Jinfeng Liu, Zhuo Xu et Fei Li, tous du Laboratoire de recherche sur les matériaux électroniques de l'Université Xi'an Jiaotong en Chine ; David Walker du Département de physique de l'Université de Warwick au Royaume-Uni ; et Yu Wang et Hao Tan, tous deux à l'École de physique de l'Institut de technologie de Harbin en Chine.

Les chercheurs de Penn State et de l'Université Xi'an Jiaotong ont déposé conjointement un brevet américain sur ce travail.

La National Natural Science Foundation of China, la US National Science Foundation et le US National Science Foundation Materials Research Science and Engineering Center ont soutenu ce travail. Les simulations informatiques ont été réalisées au Pittsburgh Supercomputing Center.

Andréa Elyse Messer

Katie Bohn

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