Povečan piezoelektrični odziv relaksorske feroelektrične keramike s strukturnim neredom

Svinčeve relaksorske feroelektrike, katere glavni predstavnik je trdna raztopina Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT), odlikujeta dve značilnosti, zaradi katerih so ti materiali že desetletja v središču pozornosti: i) so iz temeljnega vidika izredno zanimivi zaradi zapletene strukture na različnih velikostnih nivojih in ii) izkazujejo visoke makroskopske lastnosti, ki so izredno pomembne za praktično uporabo, saj presegajo lastnosti vseh trenutno znanih piezoelektričnih materialov. Kljub intenzivnim raziskavam v zadnjih šestih desetletjih, se je prava uporabnost teh materialov izkazala šele pred kratkim, ko so dokazali, da lahko piezoelektrične lastnosti polikristalinične keramike PMN-PT, dopirane z donorskim dopantom, dosegajo vrednosti značilne za monokristale PMN-PT v nedopirani obliki. To odpira obilo možnosti za uporabo keramike, ki je vsestranska, poceni in enostavna za izdelavo, in sicer v širšem spektru aplikacij na področju senzorjev, aktuatorjev, ultrazvočnih pretvornikov in komponent za shranjevanje in pretvorbo energije. Obstajata dve težavi, s katerima se trenutno soočamo. Prvič, kljub temu, da naj bi bil predlagani lokalni strukturni nered, ki je posledica donorskega dopiranja, izvor izjemno visoke piezoelektričnosti keramike PMN-PT, še vedno ne razumemo podrobnosti tega mehanizma. To nam seveda preprečuje, da bi idejo učinkovito uporabili na drugih materialih. Drugič, čeprav so relaksorski feroelektriki na osnovi PMN-PT daleč najbolj učinkoviti, vsebujejo strupen svinec, zato jih moramo nadomestiti z drugimi, okolju prijaznejšimi piezoelektriki. Cilj prijavljenega raziskovalnega projekta je rešiti kar obe težavi hkrati. To bomo dosegli tako, da bomo znanje pridobljeno med študijami svinčenega perovskita PMN-PT uporabili in tako koncept "povečane piezoelektričnosti z neredom" uporabili na nesvičevih in torej okolju prijaznejših perovskitih, kot je piezoelektrična trdna raztopina BiFeO3-BaTiO3 (BF-BT). Ambiciozni cilji nedvomno zahtevajo ambiciozen pristop k problemu in skrbno izbrano metodologijo. Projekt bo uporabil posebej zasnovan inženirski pristop, ki bo nadzoroval defekte v pripravljenih materialih z dopiranjem, kontrolo izhlapevanja hlapnih oksidov pri povišanih temperaturah in s prilagajanjem kisikove ne-stehiometrije, namreč le tako lahko popolnoma nadzorujemo stanje defektov. Uporabili bomo najsodobnejšo metodologijo, ki zajema karakterizacijo materiala na vseh nivojih: od makroskopskega, vse do mikro, nano in atomskega nivoja. Projekt je zasnovan tako, da bodo vse analize in situ, kar pomeni, da bomo vzorce karakterizirali na vseh omenjenih nivojih medtem ko so podvrženi električnim poljem in/ali spremembi temperature. Ker so mehanizmi zapleteni, jih lahko odkrijemo le tako, da upoštevamo vse strukturne vidike relaksorskih feroelektrikov, kot so nanopolarnost in s tem povezani nered na ravni atomske strukture, hierarhična domenska zgradba in dinamika domenskih sten. Le na ta način lahko mehanizme razumemo in prenesemo na materiale brez svinca, ki so ekološko sprejemljivi. Triletni projekt je organiziran v medsebojno povezane delovne sklope, ki zajemajo pripravo materialov, inženirstvo defektov in karakterizacijo "in situ" na makro, nano in atomski ravni. Projektna skupina je raznolika, multidisciplinarna, uravnotežena v smislu strokovnega znanja in ima predhodne izkušnje z medsebojnim sodelovanjem. Vsa oprema za izvedbo projekta je na voljo pri vodilni oziroma partnerskih institucijah in univerzah. Predlagani projekt je osnovan in zgrajen tako, da zagotavlja izjemne rezultate, ki bi morali imeti tako znanstvene kot praktične posledice. Projekt bo tako povečal prepoznavnost vključenih partnerjev na področju relaksorskih materialov in zagotovil nove priložnosti za nadaljnje skupno projektno delo na tej in sorodnih temah.