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Jul 15, 2023

セラミック材料で実証された超高度な圧電性能

18 maggio 2022, Jamie

2022 年 5 月 18 日

ジェイミー・オバーディック著、ペンシルベニア州立大学

圧電材料は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換したり、その逆に変換したりできるため、ロボット工学から通信、センサーに至るまで、さまざまな用途に役立ちます。 ペンシルベニア州立大学とミシガン工科大学の研究者チームによると、超高性能圧電セラミックスを作成するための新しい設計戦略により、これらの材料のさらに有益な用途への扉が開かれるという。

「長い間、圧電多結晶セラミックスは、単結晶に比べて限定的な圧電応答を示してきました」と、ペンシルバニア州立大学の研究担当副学長兼材料科学工学教授であり、2006年に発表された研究論文の共著者であるシャシャンク・プリヤ氏は述べた。ジャーナル「アドバンストサイエンス」。 「多結晶セラミック材料の圧電性の大きさを制限するメカニズムは数多くあります。この論文では、圧電係数の大きさをセラミックで通常予想される値よりも数倍高めることを可能にする新しいメカニズムを実証します。」

材料の圧電応答のレベルを表す圧電係数は、ピコクーロン/ニュートンで測定されます。

「多結晶セラミックでは、この大きさは常に 1 ニュートンあたり 1,000 ピコクーロン程度に制限されていたため、我々は 2,000 ピコクーロン/ニュートン近くを達成しました。これは大きな進歩です」とプリヤ氏は語った。 「陶磁器業界では2,000個は達成不可能な目標だと考えられていましたので、この数字の達成は非常に劇的です。」

新しいメカニズムを発見するまでの道のりは、「圧電定数の大きさを制御する要因は何か?」という疑問から始まりました。 圧電定数は、加えられた力の単位、ピコクーロン/ニュートンによって生成される電荷​​であり、原子からメソスケールで発生する効果に依存します。

「私たちは、応答を制限または制御する基本的なパラメータの、ほぼ原子スケールでの基本的な影響とは何だろうかと疑問に思いました。」 プリヤは言った。 「ミシガン工科大学で開発された、長さスケールを橋渡しするためにさまざまなモデリング技術を組み合わせたマルチスケール モデルを使用して、私たちは 2 つの現象について非常に詳細な調査を実行しました。」

1 つは化学的不均一性で、材料内のさまざまな元素の原子がナノスケールでどのように分布しているかを説明します。 異なる原子位置とそれらが占めるサイトが圧電応答にとって重要であるため、これは重要です。 2 つ目は異方性、つまり結晶方位の影響です。 材料の圧電特性は特定の結晶方向に沿って高くなるため、これは重要です。

「材料が立方体のようなものであると想像してください。立方体には異なる軸、面の対角線、および本体の対角線があり、圧電応答はこれらすべての異なる方向にわたって変化します。」とミシガン工科大学材料科学工学教授 Yu U. Wang 氏は述べています。大学は言った。 「そして、我々は、セラミック材料内のすべての粒子を特定の結晶軸に沿って整列させることによって、非常に高い圧電応答を得ることができることを示しました。我々は、セラミック材料内に非常に高度な局所的不均一性と非常に高い粒子配向を作り出しました。そして、これら 2 つの基本的な制御パラメータの組み合わせにより、セラミックにおける高い圧電応答がもたらされました。」

研究者らは、セラミックに少量の希土類元素ユーロピウムを添加すると、ユーロピウムが立方格子の隅を占めることを発見した。 これにより、高い圧電応答に必要な材料内に化学的不均一性が生じます。 研究者らは、結晶粒子の 99% を配向させることで、応答をさらに増幅することができました。

材料科学および工学の准研究教授であり、この研究の筆頭著者である Yongke Yan 氏によると、これら 2 つの効果の組み合わせはこれまで研究されたことがありません。

「私たちが特定できたこのメカニズムは、強化につながるだけでなく、劇的な強化につながり、多くの人が期待するものよりもはるかに高い理想値に近づけるものだと思います」とヤン氏は語った。

コンセプトを証明するために必要なデータを収集するために、プリヤ氏と彼のチームは、元ペンシルベニア州立材料研究所（MRI）の客員研究員で現在は中国の西安理工大学で光電工学の講師をしているダビン・リン氏とケ氏と協力した。 Wang 氏、MRI 材料特性評価研究室の MRI スタッフ科学者。 これには、セラミック材料をスキャンして透過型電子顕微鏡データを収集し、エネルギー分散型 X 線分光法 (EDS) 技術と組み合わせることも含まれます。 EDS は、どのような化学元素が存在するかを決定することができ、研究者はユーロピウムが高い圧電応答に必要な不均質性をセラミックに与える形でセラミック中に存在することを単一原子レベルで「見る」ことができます。

これらの発見は、さまざまな新しいアクチュエータやトランスデューサへの応用につながる、改良された、さらには新しい圧電材料につながる可能性を秘めています。 これは、ロボット工学、センサー、変圧器、超音波モーター、医療技術の向上を意味する可能性があります。 さらに、研究対象の超高圧電セラミックスは従来の多層製造プロセスを使用して加工できるため、この材料はコスト効率が高く、拡張性も高いと考えられます。

「人々はエレクトロニクスの恩恵を受けており、ロボット、顕微鏡、輸送システム、電話などの画面付き個人用デバイス、身体画像処理やスキャンツールなどの医療機器、さらには医療機器など、非常に多くのものにエレクトロニクスが組み込まれています。宇宙探査は宇宙船の外で動作するロボットのようなものだ」とプリヤ氏は語った。 「これらすべては超高圧電セラミックスで改善できます。」

詳しくは： Yongke Yan 他、相乗的組成および微細構造工学による超高圧電性能、Advanced Science (2022)。 DOI: 10.1002/advs.202105715

雑誌情報:先端科学

ペンシルバニア州立大学提供