Физики бросили вызов стандартным представлениям о пьезоэлектриках и не прогадали
Пьезоэлектрики — материалы, генерирующие электрический заряд под действием приложенной механической силы, удачно прижились в электронике
Почему это важно? Проведенное исследование обеспечивает теоретическую основу для поиска корреляции между пьезоэлектричеством и симметрией и ориентацией кристалла, а также конфигурацией магнитных доменов.
В микроскопическом масштабе сегнетоэлектрики состоят из множества доменов, размер которых варьируется от нескольких нанометров до миллиметров. Каждый домен состоит из равномерного или почти равномерного распределения дипольных моментов, которые возникают при разделении заряда. Области между соседними доменами известны как доменные стенки.
Домены в сегнетоэлектриках характеризуются спонтанными электрическими дипольными моментами, которые могут быть обратимо изменены приложением электрического поля. В кристалле есть области, в которых дипольные моменты выровнены в одном направлении — их называют доменами.
Доменные стенки в сегнетоэлектриках — это границы раздела с очень малой толщиной, на которых дипольные моменты меняют свои направления. Бытует мнение, что чем меньше размер домена или выше плотность доменных стенок, тем больше пьезоэлектрический коэффициент. Оказалось, что это неверно.
Исследователи обнаружили, что эта идея основана на очень ограниченных данных без прочного теоретического фундамента. Это влияет на результаты других исследований — учёные, пользуясь этим предположением, пытались найти способы сделать все эти домены меньше, чтобы улучшить пьезоэлектрический эффект, исключая другие факторы.
По результатам других исследований, переменное электрическое поле может улучшить пьезоэлектрический отклик кристалла на 20–40% по сравнению с постоянным электрическим полем. Но также обнаружилось, что внутри кристалла во время циклов переключения переменного тока размеры доменов фактически увеличиваются, а не уменьшаются, как можно было бы ожидать.
Предыдущие исследователи показали, что более высокий пьезоэлектрический отклик обусловлен меньшими доменами, но они смотрят только на поверхность кристалла. Стоило заглянуть вглубь, пусть и вычислительным путём — и оказалось, что на самом деле домены становятся больше, но под поверхностью кристалла.
Работа опубликована в журнале Advanced Materials.
