헤테로스트레인

Nature Communications 13권, 기사 번호: 5086(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

압전 재료는 액추에이터에 높은 변형률과 큰 구동력을 제공하며 전기 에너지를 기계 에너지로 변환할 수 있습니다. 발견된 지 100년이 넘었지만 과학자들은 환경에 미치는 영향을 줄이기 위해 여전히 대체 무연 압전 장치를 찾고 있습니다. 고변형 압전 재료를 개발하는 것은 장기적인 과제였으며, 특히 독성 납 원소를 포함하지 않는 고변형 다결정 압전 설계의 경우 더욱 어려웠습니다. 이 연구에서 우리는 원자 규모 결함 공학 및 중규모 도메인 엔지니어링을 통해 "헤테로스트레인"을 설계함으로써 전기 변형률을 향상시키는 한 가지 전략을 보고합니다. 우리는 무연 다결정 세라믹의 고온(220°C)에서 2.3%의 초고전자 변형률을 달성합니다. 이는 무연 및 납 기반 세라믹과 단결정을 포함한 모든 최첨단 압전 재료보다 높습니다. 우리는 다양한 응용 분야에서 저비용 환경 압전으로 높은 전기 변형을 달성하기 위한 실용적인 솔루션을 시연합니다.

압전 재료는 액추에이터, 센서 등 다양한 응용 분야에 보편적이고 중요한 재료입니다. 압전소자는 전기장에 의한 자극에 반응하여 변형을 겪고 반응 및 제어 모드로 기능합니다. 형상기억합금1, 전기유변학적 재료2,3, 자기변형 재료4 등 외부의 물리적 자극에 따라 변형되는 다른 종류의 재료와 비교할 때, 압전 액추에이터는 빠른 응답, 우수한 주파수 특성 및 전자기 간섭에 대한 저항이라는 장점을 가지고 있습니다. 1.7%의 벤치마크 전자 변형은 Pb(Zn1/3Nb2/3)O3–PbTiO3(PZN-PT)5 단결정에서 보고되었습니다. 그러나 고품질 단결정의 성장에는 높은 비용, 실험 매개변수의 복잡하고 섬세한 제어, 가혹한 환경 등 많은 단점이 있어 실제 적용이 불가능합니다6. 단결정과 달리 질감이 없는 다결정 압전을 개발하면 비용, 시간, 에너지가 덜 소모되므로 대규모 응용 분야에 실용적인 솔루션을 제공합니다. 불행하게도 다결정 압전 세라믹의 전기 변형은 단결정의 전기 변형보다 훨씬 낮습니다. 예를 들어, 무연 다결정 압전 세라믹에서 보고된 최대 전기 변형은 0.7%7 미만인 반면, 납 기반 다결정 압전 세라믹에서 보고된 최대 전기 변형은 1.3%8입니다. 또한, 납 성분은 독성 및 환경 손상으로 인해 RoHS(유해 물질 제한) 지침 및 WEEE(폐전기전자제품 지침)에 의해 제한됩니다. 상업용 전자 제품의 납 사용 금지가 점진적으로 시행되고 있음에도 불구하고 납 기반 압전 소재는 일부 고도로 정교한 기술 및 항공우주 분야에서 여전히 대체할 수 없는 위치에 있습니다. 따라서 압전 재료, 특히 무연 재료에서 더 큰 전자 변형을 달성하는 것은 작동 애플리케이션에 중요한 요구 사항입니다. 또한 지난 수십 년 동안 고온(200°C 이상)에서 큰 전기 변형을 달성하는 데 거의 진전이 없었습니다. 예를 들어, 고온에서의 최대 전기 변형률은 0.6%7 미만입니다.

원칙적으로, 조성-구조-물성 관계의 다중 규모 엔지니어링을 통해 큰 전기변형을 달성할 수 있습니다. 전기변형의 기여는 내재적 기여와 외적 기여라는 두 부분으로 나누어집니다. 본질적인 기여는 압전 효과와 전기 변형 효과에서 비롯됩니다. 외부 기여는 비-180° 도메인의 전환과 비강유전체에서 강유전체 상 변화9에 의해 생성된 부피 변화에서 비롯됩니다. 일반적으로 MPB(Morphotropic Phase Boundary)를 구성하면 서로 다른 위상에서 서로 다른 분극 방향의 결합을 생성할 수 있으므로 소신호 압전 응답 d33이 크게 향상됩니다. 그러나 MPB는 일반적으로 강유전성 도메인의 큰 역방향 스위칭이나 전기 변형의 개선을 나타내지 않습니다. 결함의 도입은 180°가 아닌 영역에서 가역적 스위칭을 위한 복원력을 제공할 수 있고 0.75%10라는 큰 복구 가능한 변형률을 나타낼 수 있지만 결함의 형성은 노화 과정에 따라 달라집니다. 결함의 안정성은 특히 산소 결손 농도를 돌이킬 수 없게 제어할 수 있는 전기 및 열장에서 변형 안정성에 영향을 미치는 핵심 포인트가 됩니다. 이온 도핑을 통해 가역적인 전기장 유도 상전이를 구성하면 결정 대칭성을 높일 수 있습니다. Wu 등14은 전기변형을 개선하기 위해 전계 유도 상전이와 하전점 결함을 결합했습니다. 그러나 강유전체 상의 대칭성은 개선되었고 전기변형의 온도 안정성은 낮은 강유전체에서 완화체로의 전이 온도(~127°C) 이하로 제한되었습니다. 따라서 더 높은 온도(~200°C)에서는 강유전성 상의 대칭성이 증가하여 전기장에 의해 유도되는 상전이를 방해합니다. 따라서 온도가 증가하면 전기적 변형이 감소하며 이는 고온 작동이 더 나빠진다는 것을 의미합니다. 따라서 이 문제를 극복하고 전기 변형률을 향상시키기 위해서는 낮은 결정 대칭을 유지하면서 가역 도메인 스위칭의 기여도를 향상시켜 장거리 및 단거리 분극의 결합을 향상시키는 설계 기준이 필요합니다. 이 연구에서 우리는 원자 규모 결함 공학 및 중규모 도메인 엔지니어링을 통해 "헤테로스트레인"을 설계함으로써 전기 변형률을 향상시키는 한 가지 전략을 보고합니다. 우리는 무연 다결정 세라믹의 고온(220°C)에서 2.3%의 초고전자 변형률을 달성합니다. 이는 무연 및 납 기반 다결정 세라믹을 포함한 모든 최첨단 압전 재료보다 높습니다. 강한 원자 혼성화, 큰 이온 변위, 산소 팔면체의 평면 내 회전 및 공극과 전기장에 의해 유도된 에너지 준위 이동은 무질서한 구조의 안정성을 향상시키고 이종 도메인을 발생시켜 전기 변형. 우리는 다양한 응용 분야에서 저비용 환경 압전으로 높은 전기 변형을 달성하기 위한 실용적인 솔루션을 시연합니다.