Подробно исследован материал, генерирующий электрическое поле на изгибе
 Одно из применений пьезоэлектричества - гибкие кантиливеры, необходимые в сканирующей микроскопии (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Флексоэлектрический эффект, о котором сейчас достаточно часто вспоминают, - «родственник» более известного пьезоэлектрического эффекта, согласно которому в некоторых веществах при деформации сжатия или растяжения может возникать электрическое поле. Пьезоэлектричество нашло свое применение в различных типах устройств, от сканирующего туннельного микроскопа, до бытовой зажигалки.
Известно, что пьезоэлектричество может существовать в 20 из 32 классов симметрии кристалла (используемых учеными для описания структуры вещества). А вот материалы, способные создавать электрическое поле на изгибе, могут относиться к любому классу симметрии. Изгиб кристаллической решетки заставляет каждый следующий атомный слой отличаться от предыдущего, т.к. он немного растягивается. Эти различия ведут к изменению расположения ионов в узлах кристаллической решетки, в результате чего может возникать электрическое поле. Данный эффект ранее был обнаружен в самых разнообразных веществах, в том числе жидких кристаллах, графене и даже в человеческих волосах. Но он никогда не был существенен настолько, чтобы оказывать влияние на поведение макроскопических тел.
Этому факту ученые из Seoul National University (Корея) противопоставили разработанные ими тонкие пленки из HoMnO3, склонные к флексоэлектричеству. Выращенные уже с определенной деформацией изгиба кристаллической решетки пленки обладают сегнетоэлектрическим эффектом, т.е. могут сохранять однажды возникшее электрическое поле, также как ферромагнетики сохраняют магнитное.
Деформация в пленках формировалась за счет, можно сказать, ручного изменения положения атомов в узлах кристаллической решетки пленки в каждом последующем слое относительно предыдущего. Для таких модификаций команда использовала поверхность сапфира, в котором межатомные расстояния на 3,5 % превышают расстояния в HoMnO3. Более подробно о применявшейся технике можно узнать из журнала Physical Review Letters.
Рентгеновские дифракционные исследования показали, что внутренние напряжения в таких пленах были от 1 до 10 миллионов раз больше, чем в пленках, подвергшихся обычному механическому изгибу. Эти огромные по меркам кристаллической решетки деформации посредством фексоэлектрического эффекта формировали сильное электрическое поле. При этом за счет сегнетоэлектрического эффекта оно сохранялось в веществе.
Обычно сегнетоэлектрические материалы не сохраняют электрическое поле равномерно: материал разбивается на отдельные домены, электрическое поле в каждом из которых ориентировано по-своему. Но через отображение этих доменов команда показала, что флексоэлектрический эффект в разработанных ими структурах был настолько сильным, что даже при достаточно высокой температуре пленка состояла только из одного домена.
Ученые отмечают, что их исследования чрезвычайно важны, т.к. под этим углом никто и никогда не смотрел на флексоэлектрический эффект. Они ожидают, что флексоэлектрики, как и их «родственники», пьезоэлектрики, будут полезны в различных наномеханизмах и других устройствах.
Также по теме:
Источники: