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Jan 27, 2024

超高圧電性結晶に透明性を発見

Cristalli rispetto ai cristalli trasparenti di materiali piezoelettrici

AC または DC 電界で処理された結晶を比較した圧電材料の透明な結晶。 クレジット: Bo Wang、ペンシルベニア州立大学無断転載を禁じます。

2020年1月15日

アンドレア・エリーゼ・メッサー著

ペンシルベニア州ユニバーシティパーク — DC 電界ではなく AC 電界を使用すると、水晶の圧電応答を改善できます。 現在、国際研究チームは、交流磁場のサイクルによって一部の材料の内部結晶ドメインが大きくなり、結晶が透明になると述べている。

「AC 磁場を使用すると、DC 磁場に比べて圧電応答が大幅に (たとえば 20% ～ 40%) 改善される可能性があるという報告があり、その改善は常に、磁場のサイクルによって内部の強誘電体ドメイン サイズが小さくなったことに起因すると考えられてきました。」交流磁場です」と、ペンシルバニア州立大学のハマー材料科学工学教授、工学科学および力学教授、数学教授の Long-Qing Chen 氏は述べています。 「約 3 年前、当時ペンシルバニア州立材料研究所の研究員だったフェイ・リー博士は、交流電界の印加によって圧電性能が向上することをほぼ確認しました。しかし、内部の強誘電体ドメインがどのように変化するかはまったく明らかではありませんでした。 ACサイクル中に進化しました。

「私たちのグループは主にコンピュータモデリングを行っており、1年以上前から、強誘電性圧電結晶に交流電場を印加した場合に内部ドメイン構造に何が起こるかを調べ始めました。私たちは、交流サイクル中にドメイン構造がどのように進化するかについて非常に興味があります。」私たちのコンピューターシミュレーションと理論計算では圧電応答の改善が示されましたが、強誘電体ドメインのサイズは文献で報告されているように小さくなるのではなく、ACサイクル中に実際に大きくなるということもシミュレーションで実証されました。」

圧電材料は、機械的な力が加えられると電荷を生成し、電場が加えられると変形または形状を変化させます。 研究者らは、市販の圧電材料であるマグネシウムニオブ酸鉛-チタン酸鉛 (PMN-PT) を調査しました。 圧電コミュニティのほとんどの人は、ドメインが小さいほど圧電応答が高くなると信じているため、計算結果は予想外でした。

双極子の整列または電場を使用した PMN-PT 結晶の分極の前には、さまざまな方向に沿った分極を持つ多数の小さなドメインが存在します。 AC電場のサイクルが結晶に印加されると、ドメインが再整列し、より少なくなり、より大きくなります。 数回の AC サイクルの後、ドメインは大きくなり、層状になります。 クレジット: Long-Qing Chen、ペンシルバニア州。

結晶内のドメインは、電気双極子または電気分極が同じ方向に沿って配置される領域です。 双極子の整列または電界を使用した PMN-PT 結晶の分極の前には、さまざまな方向に沿った分極を持つ多数の小さなドメインが存在します。 AC電場のサイクルが結晶に印加されると、ドメインが再整列し、より少なくなり、より大きくなります。 数回の AC サイクルの後、ドメインは大きくなり、層状になります。

「シミュレーション結果は文献の報告と矛盾していた」とチェン氏は述べた。 「現実がシミュレーション結果と一致するかどうかを確認するために、さらに深く掘り下げる必要がありました。」

その後、中国の西安交通大学の研究者らは独自の PMN-PT 結晶を成長させ、さまざまな AC サイクル条件下でさまざまな実験的特性評価手法を使用してサンプル内のドメイン構成を注意深く調べました。 彼らは、交流サイクル中にドメインが実際に大きくなるというペンシルバニア州立大学の計算による予測を確認しました。

より大きなドメイン サイズと特定の層ドメイン構造は、結晶に当たる光線が妨げられずにまっすぐに輝くこと、つまり結晶が透明であることも示唆しています。 この結晶は超高い圧電性を有するだけでなく、表面を丁寧に研磨することで高い透明性を実現しています。 過去において、このような結晶は常に不透明でした。

研究者らは本日（1月15日）、Nature誌で次のように報告している。「この研究は、強誘電体ドメイン工学を通じて特性と機能性の前例のない組み合わせを達成するパラダイムを提示しており、ここで報告された新しい透明な強誘電体結晶は、幅広いハイブリッドの可能性を開くことが期待される」医療用画像、自己発電型タッチスクリーン、目に見えないロボットデバイスなどのデバイスアプリケーションです。」

ペンシルベニア州立大学からこのプロジェクトに取り組んでいる他のメンバーは、材料科学および工学の大学院生である Bo Wang と、材料科学および工学の名誉教授および上級研究員である Thomas Shrout です。

他の機関の研究者には、元ペンシルバニア州立大学、現在はオーストラリアのウロンゴン大学の材料科学教授であるShujun Zhang氏が含まれます。 Chaorui Qiu、Nan Zhang、Jinfeng Liu、Zhuo Xu、Fei Li、全員、中国の西安交通大学電子材料研究室。 英国ウォリック大学物理学科のデイビッド・ウォーカー氏。 そして、Yu Wang 氏と Hao Tan 氏は、どちらも中国のハルビン工業大学物理学部に在籍しています。

ペンシルバニア州立大学と西安交通大学の研究者は共同で、この研究に関する米国特許を申請した。

中国国家自然科学財団、米国国立科学財団、米国国立科学財団材料研究科学工学センターがこの研究を支援しました。 コンピューター シミュレーションはピッツバーグ スーパーコンピューティング センターで実行されました。

アンドレア・エリーゼ・メッサー

ケイティ・ボーン

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