Vicino

Mar 31, 2023

Nature Communications volume 13, numero articolo: 3565 (2022) Citare questo articolo

4277 accessi

12 citazioni

Dettagli sulle metriche

Il fattore di accoppiamento elettromeccanico, k, dei materiali piezoelettrici determina l'efficienza di conversione dell'energia meccanica in energia elettrica o dell'energia elettrica in meccanica. Qui, forniamo un approccio fondamentale per progettare materiali piezoelettrici che forniscono una grandezza quasi ideale di k, sfruttando l'anisotropia elettrocristallina attraverso la fabbricazione di ceramiche a grani orientati o strutturate. La simulazione accoppiata del campo di fase e l'indagine sperimentale su ceramiche testurizzate Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Zr,Ti)O3 mostrano che k può raggiungere la stessa grandezza di quella di un singolo cristallo, ben oltre il valore medio di ceramica tradizionale. Per fornire una comprensione su scala atomistica del nostro approccio, utilizziamo un modello teorico per determinare l'origine fisica di k nei ferroelettrici perovskiti e scopriamo che un forte legame covalente tra il catione del sito B e l'ossigeno tramite ibridazione dp contribuisce maggiormente all'entità di k. Questa dimostrazione di un valore k quasi ideale nelle ceramiche testurizzate avrà un impatto enorme sulla progettazione di dispositivi piezoelettrici a larghezza di banda ultra ampia, alta efficienza, alta densità di potenza e alta stabilità.

I materiali piezoelettrici consentono la conversione elettromeccanica tra energia elettrica ed energia meccanica e viceversa. Sono ampiamente utilizzati in sensori, attuatori, trasduttori, dispositivi di imaging e raccoglitori di energia1,2. Il fattore di accoppiamento elettromeccanico, k, quantifica l'efficacia del materiale piezoelettrico nel fornire la conversione tra energia elettrica ed energia meccanica e viceversa. Il parametro k2 riflette il rapporto tra l'energia meccanica immagazzinata e l'energia elettrica in ingresso, o il rapporto tra l'energia elettrica immagazzinata e l'energia meccanica in ingresso, dato come: k2 = energia meccanica immagazzinata/energia elettrica in ingresso, o k2 = energia elettrica immagazzinata/ energia meccanica in ingresso3. I materiali piezoelettrici con k elevato forniranno un'elevata larghezza di banda massima ottenibile e una densità massima di polvere con elevata efficienza, e quindi k è uno dei parametri più importanti per i dispositivi di trasduzione piezoelettrica3.

Come altro vantaggio particolare, la progettazione dei materiali piezoelettrici con k elevato può fornire un approccio alternativo per aumentare il coefficiente piezoelettrico d secondo la relazione: \(d=k\sqrt{s\cdot \varepsilon }\), dove s è la cedevolezza elastica e ε è la permettività dielettrica3. Questo approccio supera diversi colli di bottiglia dell’approccio tradizionale tramite la progettazione della composizione. Con l'approccio tradizionale, il miglioramento della risposta piezoelettrica d si ottiene aumentando la permettività dielettrica ε in base all'espressione d = 2QPsε, dove Ps è la polarizzazione spontanea, Q è il coefficiente elettrostrittivo e ε è la permettività dielettrica4. L'aumento di ε si realizza appiattendo il panorama dell'energia libera rispetto alla polarizzazione (abbassando la barriera energetica per la rotazione della polarizzazione ferroelettrica), in particolare, mediante la progettazione della coesistenza multifase indotta dalla composizione (come il confine di fase morfotropico e la transizione di fase polimorfica) 5,6 o progettare strutture compositive locali (come l'ordinamento a corto raggio su scala nanometrica7 e l'eterogeneità strutturale locale8,9). I colli di bottiglia associati a questo approccio tradizionale includono: (1) La proprietà piezoelettrica d migliorata è ottenuta a scapito della stabilità della temperatura (temperatura di depolarizzazione inferiore Td o bassa temperatura di Curie Tc), che segue un andamento dato come: d ∝ 1/T1, 10,11; (2) L'aumento di ε diminuisce il coefficiente di tensione piezoelettrica g, con conseguente riduzione della sensibilità come sensore piezoelettrico12; (3) Questo approccio non è efficace nel migliorare la densità energetica dei materiali piezoelettrici, caratterizzati da d·g13. Ad esempio, anche se il d33 dei ceramici casuali Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (abbreviati come PMN-PT) drogati con Sm può raggiungere 1500 pC N−1 aumentando ε33 a 13.000, d33·g33 è limitato a 19,8 × 10−12 m2 N−1, che rappresenta solo 1/3 del valore delle ceramiche testurizzate Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Zr,Ti)O3 (abbreviato come PMN-PZT)9,13 ; (4) L'aumento di d non può dar luogo ad un incremento significativo di k, che è uno dei fattori più importanti per i dispositivi piezoelettrici come menzionato sopra; (5) Aumentando la permettività dielettrica ε appiattendo il panorama dell'energia libera generalmente si riduce il campo coercitivo Ec, che indebolisce la stabilità del campo elettrico (depoling) e limita l'uso di materiale in applicazioni ad alta potenza. Qui mostriamo che queste sfide possono essere superate progettando materiali piezoelettrici con k elevato.