セラミック材料で実証された超高圧圧電性能(Ultrahigh piezoelectric performance demonstrated in ceramic materials)

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2022-05-17 ペンシルベニア州立大学(PennState)

圧電材料は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換したり、逆に電気エネルギーを機械エネルギーに変換することができるため、ロボット工学から通信、センサーに至るまで、さまざまな用途に利用されています。
ペンシルベニア州立大学とミシガン工科大学の研究チームによると、超高性能圧電セラミックスを作るための新しい設計戦略は、これらの材料のさらに有益な用途への扉を開くものであるとのことです。
「長い間、圧電多結晶セラミックスは、単結晶に比べて圧電応答が限られていました。」と、ペンシルバニア州立大学の研究担当副学長兼材料科学・工学教授で、Advanced Science誌に発表された研究の共著者であるShashank Priya氏は述べました。「多結晶セラミック材料における圧電性の大きさを制限する多くのメカニズムが存在します。この論文では、セラミックに通常期待されるよりも数倍も圧電係数の大きさを高めることができる新しいメカニズムを実証しています。」
1つは化学的不均質性で、材料中の異なる元素の原子がナノスケールでどのように分布しているかを表す。これは、原子の位置の違いや、原子が占める部位が圧電反応に重要であるためです。 もうひとつは異方性で、結晶方位の影響である。これは、材料の圧電特性が、ある結晶方向に沿って高くなることから重要である。

<関連情報>

組成・組織設計の相乗効果による超高圧縮性能の実現 Ultrahigh Piezoelectric Performance through Synergistic Compositional and Microstructural Engineering

Yongke Yan,Liwei D. Geng,Li-Feng Zhu,Haoyang Leng,Xiaotian Li,Hairui Liu,Dabin Lin,Ke Wang,Yu U. Wang,Shashank Priya
Advanced Science  Published: 16 March 2022
DOI:https://doi.org/10.1002/advs.202105715

Abstract

Piezoelectric materials enable the conversion of mechanical energy into electrical energy and vice-versa. Ultrahigh piezoelectricity has been only observed in single crystals. Realization of piezoelectric ceramics with longitudinal piezoelectric constant (d33) close to 2000 pC N–1, which combines single crystal-like high properties and ceramic-like cost effectiveness, large-scale manufacturing, and machinability will be a milestone in advancement of piezoelectric ceramic materials. Here, guided by phenomenological models and phase-field simulations that provide conditions for flattening the energy landscape of polarization, a synergistic design strategy is demonstrated that exploits compositionally driven local structural heterogeneity and microstructural grain orientation/texturing to provide record piezoelectricity in ceramics. This strategy is demonstrated on [001]PC-textured and Eu3+-doped Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT) ceramics that exhibit the highest piezoelectric coefficient (small-signal d33 of up to 1950 pC N–1 and large-signal d33* of ≈2100 pm V–1) among all the reported piezoelectric ceramics. Extensive characterization conducted using high-resolution microscopy and diffraction techniques in conjunction with the computational models reveals the underlying mechanisms governing the piezoelectric performance. Further, the impact of losses on the electromechanical coupling is identified, which plays major role in suppressing the percentage of piezoelectricity enhancement, and the fundamental understanding of loss in this study sheds light on further enhancement of piezoelectricity. These results on cost-effective and record performance piezoelectric ceramics will launch a new generation of piezoelectric applications.

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