Пьезоэлектрики – материалы, преобразующие механическое напряжение в электричество и обратно, – используются повсеместно: в жестких дисках, бытовой акустике, медицинской диагностике и т.п. Несмотря на такую популярность пьезоэлектриков, до сих пор нет четкого понимания процессов, происходящих в них на атомном уровне.

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) и канадского Университета Саймона Фрейзера (Simon Fraser), по их утверждению, внесли ясность в важный аспект данного явления: почему один из основных классов таких материалов, так называемые релаксоры, демонстрирует отличное от других поведение (а также наибольший пьезоэлектрический эффект).

Ученые экспериментировали с двумя наиболее распространенными пьезоэлектриками: ферроэлектриком PZT и релаксором PMN. Оба они кристаллические материалы с кубической решеткой, образованной одним атомом свинца и тремя – кислорода. Но в случае PZT центр куба в произвольном порядке занимает атом циркония или титана, имеющие одинаковые заряды, а в случае PMN – марганца или ниобия, заряды которых различаются. Эти по-разному заряженные атомы создают сильное электрическое поле, варьирующееся у PMN и других релаксоров от одного кубического блока к другому. В PZT, напротив, такого не наблюдается.

Несколько лет назад, сотрудники Университета Саймона Фрейзера открыли способ выращивания достаточно крупных кристаллов PZT, что впервые сделало возможным детальное сравнительное изучение верроэлектриков и релаксоров с применением одного и того же инструмента. Таким инструментом, позволившим связать причины различий между двумя типами материалов с расположением атомов в кристаллической решетке, стала установка для генерирования пучков нейтронов, предоставленная Центром нейтронных исследований NIST.

В ходе экспериментов предварительная информация о PZT более или менее подтвердилась, но в PMN атомы оказались смещены из предполагавшихся позиций, что вызвало картину рассеивания пучков нейтронов, напоминающую крылья бабочки, что, как выяснилось, является характерным признаком, указывающим на структуру именно релаксоров.

Дополнительные тесты показали, что релаксоры PMN более чем вдвое чувствительнее PZT к механической стимуляции. Это, также первое в своем роде наблюдение, по мнению авторов, поможет в дальнейшем оптимизировать технологически важные свойства пьезоэлектриков в целом.

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI