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Jan 27, 2024

Transparência descoberta em cristais com ultra-alta piezoeletricidade

Cristal transparente de material piezoelétrico comparando cristais que foram

Cristal transparente de material piezelétrico comparando cristais que foram tratados com campos elétricos AC ou DC. Crédito: Bo Wang, Penn State. Todos os direitos reservados.

15 de janeiro de 2020

Por A'ndrea Elyse Messer

UNIVERSITY PARK, Pa. — O uso de um campo elétrico CA em vez de CC pode melhorar a resposta piezoelétrica de um cristal. Agora, uma equipe internacional de pesquisadores diz que os ciclos de campos AC também tornam os domínios internos do cristal em alguns materiais maiores e o cristal transparente.

"Houve relatos de que o uso de campos AC poderia melhorar significativamente as respostas piezoelétricas - por exemplo, de 20% a 40% - sobre campos DC e as melhorias sempre foram atribuídas aos tamanhos de domínio ferroelétrico interno menores que resultaram dos ciclos de Campos de corrente alternada", disse Long-Qing Chen, professor de ciência e engenharia de materiais da Hamer, professor de ciência da engenharia e mecânica e professor de matemática na Penn State. "Cerca de três anos atrás, o Dr. Fei Li, então pesquisador associado do Instituto de Pesquisa de Materiais da Penn State, confirmou amplamente a melhoria dos desempenhos piezoelétricos da aplicação de campos CA. No entanto, não estava claro como os domínios ferroelétricos internos evoluiu durante os ciclos AC.

"Nosso grupo faz principalmente modelagem por computador e, há mais de um ano, começamos a investigar o que acontece com as estruturas de domínio interno se aplicarmos campos AC a um cristal piezoelétrico ferroelétrico. Estamos muito curiosos sobre como as estruturas de domínio evoluem durante os ciclos AC. Nossas simulações de computador e cálculos teóricos mostraram uma resposta piezoelétrica melhorada, mas nossas simulações também demonstraram que os tamanhos dos domínios ferroelétricos na verdade ficaram maiores durante os ciclos CA, em vez de menores, conforme relatado na literatura”.

Materiais piezelétricos geram cargas elétricas quando uma força mecânica é aplicada e deformam ou mudam de forma quando um campo elétrico é aplicado. Os pesquisadores investigaram titanato de niobato de chumbo e magnésio - PMN-PT - um material piezoelétrico disponível comercialmente. Os resultados computacionais foram inesperados porque a maioria das pessoas na comunidade piezoelétrica acredita que quanto menores os domínios, maior a resposta piezoelétrica.

Antes do alinhamento de dipolos ou polarização de um cristal PMN-PT usando um campo elétrico, existem muitos domínios minúsculos com polarização em diferentes direções. À medida que ciclos de campos elétricos AC são aplicados ao cristal, os domínios se realinham, tornando-se menores e maiores. Após vários ciclos AC, os domínios são grandes e em camadas. Crédito: Long-Qing Chen, Penn State.

Os domínios dentro de um cristal são áreas dentro das quais os dipolos elétricos ou a polarização elétrica se organizam na mesma direção. Antes do alinhamento de dipolos ou polarização de um cristal PMN-PT usando um campo elétrico, existem muitos domínios minúsculos com polarização em diferentes direções. À medida que ciclos de campos elétricos AC são aplicados ao cristal, os domínios se realinham, tornando-se menores e maiores. Após vários ciclos AC, os domínios são grandes e em camadas.

"Os resultados da simulação estavam em contradição com os relatos da literatura", disse Chen. "Precisávamos cavar mais fundo para ver se a realidade concorda com os resultados da nossa simulação."

Pesquisadores da Universidade de Xi'an Jiaotong, na China, cultivaram seus próprios cristais PMN-PT e examinaram cuidadosamente as configurações de domínio em suas amostras usando várias técnicas de caracterização experimental sob diferentes condições de ciclo AC. Eles confirmaram as previsões computacionais da Penn State de que os domínios realmente se tornam maiores durante os ciclos AC.

O tamanho maior do domínio e as estruturas específicas do domínio da camada também sugerem que um raio de luz brilhando no cristal seria desimpedido e brilharia diretamente - o cristal seria transparente. Os cristais não só possuem ultraeletricidade piezelétrica, mas também são altamente transparentes depois que suas superfícies são cuidadosamente polidas. No passado, cristais como este sempre foram opacos.