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Jan 27, 2024

초고압전 결정체에서 투명성 발견

압전재료의 투명한 결정과 결정을 비교한 것

AC 또는 DC 전기장으로 처리된 결정을 비교한 압전 재료의 투명한 결정. 출처: Penn State의 Bo Wang. 판권 소유.

2020년 1월 15일

안드레아 엘리제 메서(A'ndrea Elyse Messer)

펜실베니아주 대학 공원 - DC 전기장 대신 AC를 사용하면 크리스탈의 압전 반응을 향상시킬 수 있습니다. 이제 국제 연구진은 AC 장의 주기가 일부 재료의 내부 결정 영역을 더 크게 만들고 결정을 투명하게 만든다고 말합니다.

"AC 장을 사용하면 DC 장에 비해 압전 반응이 예를 들어 20%에서 40%까지 크게 향상될 수 있다는 보고가 있었으며 이러한 개선은 항상 다음과 같은 주기로 인해 내부 강유전체 도메인 크기가 더 작아졌기 때문이었습니다. AC 분야"라고 Penn State 대학의 재료 과학 및 공학 교수이자 엔지니어링 과학 및 기계 교수이자 수학 교수인 Long-Qing Chen이 말했습니다. "약 3년 전, 당시 Penn State 소재 연구소의 연구원이었던 Fei Li 박사는 교류장을 적용함으로써 압전 성능이 향상된다는 사실을 크게 확인했습니다. 그러나 내부 강유전체 영역이 어떻게 향상되는지는 전혀 명확하지 않았습니다. AC주기 동안 진화했습니다.

"우리 그룹은 주로 컴퓨터 모델링을 수행하는데, 1년여 전부터 강유전성 압전 결정에 AC 필드를 적용하면 내부 도메인 구조에 어떤 일이 일어나는지 조사하기 시작했습니다. 우리는 AC 사이클 동안 도메인 구조가 어떻게 진화하는지 매우 궁금합니다. 우리의 컴퓨터 시뮬레이션과 이론적인 계산에서는 개선된 압전 반응이 나타났지만, 우리의 시뮬레이션에서는 문헌에 보고된 것처럼 강유전성 도메인 크기가 실제로 AC 주기 동안 작아지기보다는 더 커졌다는 사실도 입증했습니다."

압전재료는 기계적 힘이 가해지면 전하를 생성하고, 전기장이 가해지면 변형되거나 모양이 변합니다. 연구진은 상업적으로 이용 가능한 압전 재료인 납 마그네슘 니오브산염-납 티탄산염(PMN-PT)을 조사했습니다. 압전 커뮤니티의 대부분의 사람들은 도메인이 작을수록 압전 응답이 더 높다고 믿기 때문에 계산 결과는 예상치 못한 것이었습니다.

쌍극자를 정렬하거나 전기장을 사용하여 PMN-PT 결정을 분극화하기 전에는 서로 다른 방향을 따라 분극된 작은 도메인이 많이 있습니다. AC 전기장의 주기가 결정에 적용되면 도메인이 다시 정렬되어 점점 더 작아집니다. 여러 AC 사이클 후에 도메인은 크고 여러 층으로 구성됩니다. 출처: Penn State의 Long-Qing Chen.

결정 내의 도메인은 전기 쌍극자 또는 전기 분극이 동일한 방향을 따라 배열되는 영역입니다. 쌍극자를 정렬하거나 전기장을 사용하여 PMN-PT 결정을 분극화하기 전에는 서로 다른 방향을 따라 분극된 작은 도메인이 많이 있습니다. AC 전기장의 주기가 결정에 적용되면 도메인이 다시 정렬되어 점점 더 작아집니다. 여러 AC 사이클 후에 도메인은 크고 여러 층으로 구성됩니다.

Chen은 "시뮬레이션 결과는 문헌 보고와 모순되었습니다."라고 말했습니다. "현실이 시뮬레이션 결과와 일치하는지 확인하기 위해 더 깊이 파고들 필요가 있었습니다."

그런 다음 중국 Xi'an Jiaotong University의 연구원들은 자체 PMN-PT 결정을 성장시키고 다양한 AC 사이클링 조건에서 다양한 실험 특성화 기술을 사용하여 샘플 내 도메인 구성을 주의 깊게 조사했습니다. 그들은 AC 주기 동안 도메인이 실제로 더 커진다는 Penn State의 계산 예측을 확인했습니다.

더 큰 도메인 크기와 특정 레이어 도메인 구조는 또한 크리스탈에 비춰진 광선이 방해받지 않고 바로 빛을 발할 것임을 시사합니다. 즉 크리스탈은 투명할 것입니다. 결정체는 초고압전성을 가질 뿐만 아니라 표면을 세심하게 연마한 후 투명도도 매우 높습니다. 과거에는 이와 같은 결정이 항상 불투명했습니다.