Исследователи из Университета Твенте и нескольких других учреждений разработали «флексоэлектрический» наноматериал. Материал изменяет форму при приложении электрического напряжения и наоборот производит электричество при изменении формы. В статье, опубликованной в научном журнале Nature Nanotechnology, исследователи также показывают, что чем тоньше материал, тем сильнее проявляется этот флексоэлектрический эффект. Можно использовать материал для зарядки кардиостимулятора внутри человеческого тела или, например, сделать высокочувствительные датчики.
Пьезоэлектрические материалы широко используются в электронных устройствах. Это кристаллические вещества, которые могут преобразовать электрическую энергию в деформацию и наоборот. Недостатком этих материалов является то, что часть из них содержит свинец – который вреден для окружающей среды и здоровья – и то что пьезоэлектрический эффект снижается при уменьшении толщины материала.
Сравнение пьезоэлектрического и флексоэлектрического актьюаторов
In a piezoelectric bimorph actuator, a homogeneous mechanical strain is generated on application of an electrical voltage to the piezoelectric layer. The mechanical clamping induced by the non-piezoelectric layer creates a strain gradient across the structure, converting the piezoelectric strain into a flexural motion. On the other hand, any dielectric sandwiched between the electrodes can, in principle, act as a flexoelectric actuator. In this case, the bending moment arises from a symmetry-breaking strain gradient generated at the unit cell level.
С 1960-х годов физики спорят о существовании флексоэлектрического эффекта. Теперь исследователям из Университета Твенте совместно с несколькими другими институтами удалось разработать флексоэлектрическую наносистему толщиной всего 70 нанометров. Оказывается, что даже несмотря на то, что флексоэлектрический эффект очень слабый, чем тоньше материал, тем сильнее становится эффект.
Схема эксперимента.
a, Optical image of an array of SrTiO3 nanocantilevers. b, Three-dimensional image of one SrTiO3 nanocantilever with colour scale corresponding to the out-of-plane displacement. c, The digital holographic microscope splits a coherent laser beam into an objective beam and a reference beam. The objective beam is focused onto the sample and the light reflected is collected to form an interference pattern with the reference beam. Any difference in height along the sample surface results in a corresponding difference in the phase of the light reflected back from it.
Исследователи считают, что на основе такого материала можно будет создать флексоэлектрический материал толщиной всего в несколько атомных слоев. Это открытие может иметь много интересных применений. Например, датчики, которые могут обнаружить одну молекулу. Молекула оседает на вибрирующий датчик, что делает его тяжелее, замедляя вибрацию. Снижение частоты легко измерить с помощью флексоэлектрического эффекта. Флексоэлектрические материалы могут также быть полезны в таких приложениях как кардиостимуляторы.
Сравнительные характеристики пьезоэлектрического и флексоэлектрического актьюаторов The ratios of the curvature/electric field are compared for flexoelectric SrTiO3 and piezoelectric devices fabricated from ZnO23, AlN24, 26, PZT21 and PMN-PT25. For all materials, the plotted value corresponds to the intrinsic response measured out of resonance.
Источник: Umesh Kumar Bhaskar, Nirupam Banerjee, Amir Abdollahi, Zhe Wang, Darrell G. Schlom, Guus Rijnders, Gustau Catalan. A flexoelectric microelectromechanical system on silicon. *Nature Nanotechnology *, 2015; DOI: 10.1038/nnano.2015.260
