Зажечь газовый гриль, воспользоваться ультразвуковой зубной щеткой — эти действия связаны с использованием материалов, способных преобразовывать электрическое напряжение в изменение формы и наоборот. Пьезоэлектричество или способность к обмену между механическим напряжением и электрическим зарядом можно применять в конденсаторах, приводах, преобразователях и датчиках, таких как акселерометры и гироскопы, для электроники нового поколения. Однако интеграция этих материалов в миниатюрные системы затруднялась из-за того, что электромеханически активные материалы в субмикрометрическом масштабе, когда толщина составляет всего несколько миллионных долей дюйма, блокирует материал, к которому они прикрепляются, что значительно снижает их производительность. Исследователи Университета Райса и сотрудники Калифорнийского университета в Беркли обнаружили, что класс электромеханически активных материалов, называемых антиферроэлектриками, может стать ключом к преодолению ограничений производительности, связанных с зажимами в миниатюрных электромеханических системах. В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Materials, сообщается, что модель антиферроэлектрика, цирконат свинца (PbZrO3), создает электромеханический отклик, который может в пять раз превышать отклик обычных пьезоэлектрических материалов даже в пленках толщиной всего 100 нанометров (или 4 миллионные доли дюйма).
Согласно существующим промышленным стандартам, материал считается обладающим очень хорошими электромеханическими характеристиками, если он может претерпевать изменение формы на 1% ⎯ или деформацию ⎯ в ответ на воздействие электрического поля. Например, для объекта длиной 100 дюймов увеличение или уменьшение длины на 1 дюйм означает деформацию на 1%.
Когда обычные пьезоэлектрические материалы уменьшаются до систем размером менее микрометра (1000 нанометров), их характеристики обычно значительно ухудшаются из-за вмешательства подложки, которая гасит их способность менять форму в ответ на электрическое поле или, наоборот, генерировать напряжение в ответ на изменение формы». По словам Мартина, если оценивать электромеханические характеристики по шкале 1-10, где 1 — самая низкая эффективность, а 10 — промышленный стандарт 1% деформации, то зажим, как правило, снижает электромеханический отклик обычных пьезоэлектриков с 10 баллов до диапазона 1-4.
Исследователи хотели понять, как очень тонкие пленки антиферроэлектриков — класса материалов, который до недавнего времени оставался малоизученным из-за отсутствия доступа к «модельным» версиям материалов и их сложной структуры и свойств, — меняют свою форму в ответ на напряжение и подвержены ли они такому же зажатию. Сначала они вырастили тонкие пленки модельного антиферроэлектрического материала PbZrO3 с очень тщательным контролем толщины, качества и ориентации материала. Затем они провели ряд электрических и электромеханических измерений, чтобы количественно оценить реакцию тонких пленок на приложенное электрическое напряжение.
Измерение изменения формы на таких малых масштабах было непростой задачей. На самом деле, оптимизация измерительной установки потребовала так много труда, что исследователи задокументировали этот процесс в отдельной публикации.
При поддержке своих коллег из Массачусетского технологического института исследователи использовали современный просвечивающий электронный микроскоп, чтобы наблюдать за изменением формы наноразмерного материала с атомным разрешением в режиме реального времени.
Удивительно, но исследователи обнаружили, что зажим не только не мешает работе материала, но и, наоборот, улучшает ее. Вместе с коллегами из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и Дартмутского колледжа они воссоздали материал с помощью вычислений, чтобы получить еще одно представление о том, как зажим влияет на срабатывание при приложении электрического напряжения.
24.05.2024 |
Энергия
Разгадана тайна снижения производительности перспективного катодного материала | |
Первое поколение литий-ионных аккумуляторов дл... |
NatMat: Ученые из университета Райса нашли отличную альтернативу ферроэлектрикам | |
Зажечь газовый гриль, воспользоваться ультразв... |
Energy Materials and Devices: Создан тандемный солнечный элемент с КПД более 20% | |
Группа исследователей впервые продемонстрирова... |
JRSNZ: Ветряные электростанции могут компенсировать выбросы за 2 года | |
Ветряная электростанция, проработав менее двух... |
EGU: В золоте дураков все-таки нашли ценный компонент | |
Не зря авиакомпании не разрешают сда... |
Инженеры создают более выгодную сеть для распределения солнечной энергии | |
Если вы являетесь Независимым системным о... |
NatComm: Машинное обучение поможет создать вертикально-осевые ветряные турбины | |
Исследователи EPFL использовали алгоритм генет... |
ChemM: Открыты новые материалы для безопасных и высокопроизводительных батарей | |
Полностью твердотельные литий-ионные батареи с... |
Chem: Имплантируемые батареи могут работать на собственном кислороде организма | |
Имплантируемые медицинские устройства &md... |
Новый реактор сэкономит миллионы при производстве пластиков и резины из газа | |
Новый способ получения важного ингредиента для... |
Рост эффективности бифункциональных катализаторов удешевит производства водорода | |
Ученые преодолели ограничения долговечности би... |
P2P обмен энергией между домохозяйствами снижает зависимость от поставщиков | |
Наши энергетические системы быстро изменяются.... |
Ученые исследуют поглощение и потерю водорода из катодов Li-Ion аккумуляторов | |
Литий-ионные аккумуляторы являются одной из&nb... |
Ученые впервые увидели, как молекулы воды ведут себя у металлического электрода | |
Совместная группа экспериментальных и выч... |
Созданы стратегии ограничения саморазряда суперконденсаторов на основе углерода | |
Эффективное хранение чистой энергии &mdas... |
Ученые предложили собирать воду из воздуха с помощью солнечной энергии | |
В настоящее время более 2,2 миллиарда человек ... |
EMD: Ученые изготовили эффективные органические катоды для цинк-ионных батарей | |
Цинк — дешевый, распространенный, э... |
ТПУ: Высокоэнтропийные сплавы позволят создать мембраны для очистки водорода | |
Ученые Томского политеха создали систему матем... |
Nature Physics: Открыта новая система управления хаотическим поведением света | |
Использование света и управление им ... |
Открыт потенциально более дешевый и холодный способ транспортировки водорода | |
В рамках усилий по отказу от ископае... |
Разработан новый метод создания стабильных и эффективных солнечных элементов | |
Солнечные материалы нового поколения дешевле и... |
Acta Astronautica: В открытом космосе можно построить солнечные фермы | |
Согласно результатам нового исследования, пров... |
Новый катализатор может обеспечить жидкое водородное топливо будущего | |
Исследователи из Лундского университета, ... |
Перовскитовые ячейки — новое решение для повышения эффективности солнечных панелей | |
Солнечные элементы на основе перовскита, ... |
Новая анионообменная мембрана станет ключевым компонентом топливных элементов | |
Анионообменные мембранные топливные элементы п... |
Применение шарового размола улучшит характеристики литий-ионных аккумуляторов | |
Более дешевые и эффективные литий-ионные ... |
Кремний может стать альтернативой графитовым анодам в литий-ионных аккумуляторах | |
В новаторском обзоре, опубликованном в жу... |
Joule: Ученые успешно испытали тандем перовскита и кремния в солнечных батареях | |
Несмотря на то, что традиционные сол... |
Ученые разработали электролизное устройство для превращения CO2 в пропан | |
В недавно опубликованной в журнале Nature... |
E&ES: Новый электролит предотвращает возгорание и тепловой выброс в аккумуляторах | |
Йонг-Джин Ким и Джайеон Бэк из&... |