Pendant des années, les chercheurs ont cru que moreover la taille du domaine dans un cristal ferroélectrique était petite, additionally les propriétés piézoélectriques du matériau étaient grandes. Cependant, des découvertes récentes des chercheurs de Penn State ont soulevé des issues sur cette règle conventional.



Les matériaux ferroélectriques possèdent des moments dipolaires électriques spontanés qui peuvent être inversés de manière réversible en appliquant un champ électrique. Les domaines sont des zones du cristal ferroélectrique dont les moments dipolaires sont alignés dans la même way. La piézoélectricité est une propriété matérielle où le cristal génère une cost électrique sous une drive mécanique appliquée. Cette capacité permet aux piézoélectriques d’être utilisés dans l’électronique, les capteurs et les actionneurs.

« Tant d’appareils dans notre vie quotidienne utilisent la capacité d’un matériau à convertir des signaux électriques en signaux mécaniques et vice versa », a déclaré Bo Wang, chercheur postdoctoral en science et ingénierie des matériaux. « Dans la plupart de ces apps, le matériau piézoélectrique joue un rôle clé. Et les matériaux piézoélectriques les furthermore avancés sont les matériaux ferroélectriques. »



À une échelle microscopique, les matériaux ferroélectriques se composent de nombreux domaines, et ces domaines varient en taille de quelques nanomètres à plusieurs millimètres. Chaque domaine consiste en une distribution uniforme ou presque uniforme des times dipolaires, qui se produisent lorsqu’il y a une séparation de charge. Les régions entre les domaines adjacents sont appelées parois de domaine.

 » Les parois de domaine dans les cristaux ferroélectriques sont des interfaces avec une très faible épaisseur sur laquelle les times dipolaires changent de direction. Il est bien connu dans la communauté de recherche des matériaux ferroélectriques que ces parois de domaine ont une forte affect sur la piézoélectricité « , a déclaré Wang. « Il y a une croyance générale dans la communauté que plus la taille du domaine est petite ou furthermore la densité de la paroi du domaine est élevée, plus le coefficient piézoélectrique est grand. »

Cependant, les récents travaux de Wang et de ses collègues, publiés dans Innovative Elements, remettent en concern cette sagesse conventionnelle.

« Notre théorie et nos calculs ont démontré qu’une telle eyesight conventionnelle n’est en fait pas souvent correcte », a déclaré Wang.

Les chercheurs ont découvert que l’idée que des domaines moreover petits conduisent à une piézoélectricité plus élevée est basée sur des données existantes très limitées sans fondement théorique solide.

 » Sur la foundation de cette sagesse conventionnelle, de nombreux membres de la communauté des chercheurs ont essayé de trouver des moyens de réduire tous ces domaines pour améliorer la piézoélectricité, et souvent, lorsqu’ils constatent une amélioration des performances piézoélectriques, l’une des premières choses qui leur vient à l’esprit est peut-être en raison des domaines as well as petits « , a déclaré Lengthy-Qing Chen, professeur Hamer de science et d’ingénierie des matériaux, professeur de science de l’ingénierie et de mécanique et professeur de mathématiques à Penn Point out. « Notre travail fournit une base théorique pour corréler la piézoélectricité à la symétrie cristalline, à l’orientation cristalline et à la configuration du domaine. »

Dans cet posting, ils faisaient référence aux découvertes d’autres chercheurs selon lesquelles un champ électrique CA peut améliorer la réponse piézoélectrique du cristal de 20 à 40 % par rapport au cristal traité par un champ électrique CC. Mais l’équipe a découvert qu’à l’intérieur du cristal pendant les cycles de commutation CA, la taille des domaines devenait en fait plus grande, et non as well as petite comme on pouvait s’y attendre.

« Nous avons proposé un modèle théorique de changement de domaine sous champs électriques, nous utilisons des calculs pour le confirmer, et grâce à notre simulation, nous avons montré qu’à l’avenir les chercheurs devront regarder à l’intérieur du cristal », a déclaré Chen.  » Les chercheurs précédents ont montré qu’une réponse piézoélectrique furthermore élevée est due à des domaines plus petits, mais ils n’ont regardé que la surface area.

Selon Wang, cette nouvelle compréhension de la relation entre la taille du domaine des cristaux ferroélectriques et la piézoélectricité peut fournir des conseils pour améliorer les performances piézoélectriques des matériaux.

« Nous espérons que cette étude permettra aux gens de repenser les principes de conception des matériaux piézoélectriques, peut-être en créant de meilleurs matériaux piézoélectriques d’une manière qui n’était pas attainable auparavant », a déclaré Wang. « Cela peut permettre de meilleurs piézoélectriques fabriqués à partir de matériaux moins coûteux ou de matériaux moreover respectueux de l’environnement. »

Avec Wang et Chen, l’autre auteur de l’étude était Fei Li, un ancien chercheur postdoctoral en science et ingénierie des matériaux à Penn Point out et maintenant professeur titulaire à l’Université Xi’an Jiaotong en Chine.

La National Science Foundation a soutenu cette recherche.