Моделирование фазового поля поведения деполяризации, вызванного постоянными и переменными электрическими полями. Кредит: Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-50847-3
Тепло и давление могут ухудшить свойства пьезоэлектрических материалов, которые делают возможными современные ультразвуковые и гидроакустические технологии, а устранение этих повреждений исторически требовало разборки устройств и воздействия на материалы еще более высоких температур.
Теперь исследователи разработали методику восстановления этих свойств при комнатной температуре, что упрощает ремонт этих устройств и прокладывает путь для новых ультразвуковых технологий.
Статья «Электрическая деполяризация и реполяризация пьезоэлектрических монокристаллов Relaxor-PbTiO3 без термической обработки» опубликована в Nature Communications.
Пьезоэлектрические материалы имеют множество применений, включая гидроакустические технологии и устройства, которые генерируют и воспринимают ультразвуковые волны. Но для того, чтобы эти устройства эффективно генерировали гидроакустические или ультразвуковые волны, материал должен быть «поляризованным».
Это потому, что пьезоэлектрические материалы, используемые для сонаров и ультразвуковых приложений, в основном являются сегнетоэлектриками. И как все сегнетоэлектрические материалы, они демонстрируют явление, называемое спонтанной поляризацией. Это означает, что они содержат пары положительно и отрицательно заряженных ионов, называемых диполями.
Когда сегнетоэлектрический материал поляризован, это означает, что все его диполи были выровнены с внешним электрическим полем. Другими словами, все диполи ориентированы в одном направлении, что делает их пьезоэлектрические свойства более выраженными.
«Если эти диполи не выровнены, сложно генерировать направленные ультразвуковые волны с амплитудой, необходимой для их практического применения», — говорит Сяонин Цзян, соавтор статьи по работе и заслуженный профессор кафедры машиностроения и аэрокосмической техники имени декана Ф. Дункана в Университете штата Северная Каролина.
«Сохранение поляризации пьезоэлектрических-сегнетоэлектрических материалов представляет собой существенную проблему, поскольку диполи могут начать терять свою ориентацию при воздействии повышенных температур или высокого давления», — говорит Цзян.
«Это также производственная проблема, поскольку она ограничивает другие материалы и процессы, которые вы можете использовать при изготовлении ультразвуковых устройств», — говорит Цзян. «И поскольку повышенные температуры на самом деле не так уж и высоки — вы можете увидеть проблемы с выравниванием уже при 70°C — даже транспортировка или хранение этих технологий иногда может негативно повлиять на поляризацию и эффективность устройств».
«Более того, длительное использование некоторых технологий может привести к тому, что само устройство будет генерировать тепло, которое рискует деполяризовать пьезоэлектрический-сегнетоэлектрический материал».
И как только диполи в материале вышли из выравнивания, вернуть их в выравнивание нелегко. Пьезоэлектрический-сегнетоэлектрический материал необходимо извлечь из устройства и подвергнуть воздействию высокой температуры — 300°C или более — чтобы полностью деполяризовать материал перед его «переполяризацией» и возвращением диполей в выравнивание.
«Важно повторно использовать эти пьезоэлектрические-сегнетоэлектрические материалы, потому что они обычно дороги — их не хочется просто выбрасывать», — говорит Цзян. «Но часто материал извлекается, а остальная часть ультразвукового устройства выбрасывается.
«Мы разработали метод, который позволяет нам деполировать и переполировать пьезоэлектрические-сегнетоэлектрические материалы при комнатной температуре. Это означает, что мы можем вернуть диполи в правильное положение, не удаляя материал из устройства — и при необходимости это можно делать неоднократно».
Чтобы понять новую технику, нужно понимать, что есть два способа вытянуть диполи в пьезоэлектрическом-сегнетоэлектрическом материале в выравнивание. Наиболее широко используемый метод включает приложение постоянного электрического поля (DC) к материалу, которое тянет все диполи в одном направлении.
«Этот способ хорошо подходит для создания выравнивания, но практически невозможно деполяризовать материал, используя только постоянное поле», — сказал Цзян.
Другой метод заключается в приложении к материалу электрического поля переменного тока (AC), которое заставляет диполи колебаться в ответ на волны в поле, пока поле не будет удалено, после чего диполи фиксируются на месте в выравнивании.
«Мы обнаружили, что мы также можем деполяризовать материал с помощью переменного поля, даже при комнатной температуре. Если материал изначально был поляризован с помощью постоянного поля, мы могли бы удалить большую часть поляризации с помощью переменного поля — но не всю ее», — сказал Цзян. «Однако, если материал изначально был поляризован с помощью переменного поля, мы обнаружили, что это также может полностью деполяризовать материал с помощью переменного поля».
Это открытие имеет по крайней мере два важных последствия для ультразвуковых технологий.
«Если мы можем поляризовать пьезоэлектрические и сегнетоэлектрические материалы при комнатной температуре, это означает, что мы можем изменять другие материалы и производственные процессы, которые мы используем при создании ультразвуковых устройств, чтобы оптимизировать их производительность», — говорит Цзян. «Мы больше не ограничены материалами и процессами, которые не повлияют на поляризацию в пьезоэлектрических-сегнетоэлектрических компонентах, потому что мы можем поляризовать материал с помощью переменного поля после сборки устройства».
«Более того, это означает, что мы можем легко переполяризовать материалы в существующих устройствах, что, как мы надеемся, обеспечит нам длительный срок службы пиковой производительности для этих технологий».
Дополнительная информация: Хванг-Пилл Ким и др., Электрическая деполяризация и переполяризация пьезоэлектрических монокристаллов релаксор-PbTiO3 без термической обработки, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-50847-3
Информация о журнале: Nature Communications
Предоставлено Университетом штата Северная Каролина
