Самозарядна електроніка стає реальністю • Олександр Самардак • Новини науки на «Елементах
Американські вчені показали можливість використання нанорозмірних п'єзоелектриків для збору енергії коливань різної природи (звукові хвилі, вібрації при русі) та подальшого перетворення її в електричну, причому ефективність перетворення зростає в 2-3 рази. Це відкриття дозволить виробляти самозарядні мобільні пристрої, що працюють на зеленій електриці.
Отже, ключовим елементом нової технології є п'єзоелектрики - речовини, здатні генерувати електрику під дією механічної напруги або деформації (прямий п'єзоелектричний ефект, рис. 1) і, навпаки, що змінюють свої фізичні розміри (розширюються або стискаються) при пропусканні крізь них електричного струму ефект). Найчастіше це кристали кварцу чи кераміка.
П'єзоелектрики були відкриті ще в другій половині XIX століття, але знайшли своє застосування лише в роки Першої світової війни, коли на їх основі були розроблені сонари (від англ. and - звукова навігація та визначення дальності) для виявлення підводних човнів. Успішна реалізація цього проекту призвела до нових застосувань п'єзоелектриків. Так було створено головки для патефонів — перших звукопрограючих пристроїв, п'єзоелектричні запальнички, кварцові годинники та мікрофони.
Слід зазначити, що п'єзоелектричний ефект, спочатку виявлений у природних матеріалах, таких як кварц, турмалін, сіль Сегнетова і т. д., досить слабкий. З цієї причини були синтезовані полікристалічні сегнетоелектричні керамічні матеріали з покращеними властивостями, такі як титанат барію BaTiO3 та цирконат-титанат свинцю PZT (абревіатура формули Pb[ZrxTi1-x]O3 0 В/мм), що призводить до порушеннясиметрії у кристалі (рис. 2.2).
У п'єзокристалах заряди різних знаків формують електричний диполь. Декілька прилеглих диполів формують так звані домени Вейса (Weiss domains). До встановлення полярності домени орієнтовані довільним чином (рис. 3.1). Під дією електричного поля та високої температури кристал розширюється у напрямку поля та стискається по перпендикулярній осі. Це призводить до вибудовування диполів вздовж прикладеного електричного поля (рис. 3.2).
Після вимикання поля та охолодження п'єзокераміка має залишкову поляризацію (рис. 3.3). Якщо до кристала з відрегульованою полярністю додати електричне поле, домени Вейса починають вирівнюватися вздовж поля, причому ступінь вирівнювання залежить від прикладеної електричної напруги. В результаті виникає зміна розмірів п'єзоелектричного матеріалу.
При механічному тиску симетрія розподілу зарядів порушується, що призводить до різниці потенціалів на поверхнях кристала. Наприклад, кварц об'ємом 1 см 3 при додатку сили 2 кН може зробити напругу до 12500.
Тепер повернемось до роботи американських вчених. Використовуючи динамічну модель, дослідники показали, що у вузькому діапазоні геометричних розмірів п'єзоелектричні наноструктури можуть перетворювати енергію з дуже великою ефективністю. При цьому вони враховували не тільки п'єзоелектричний, а й флексоелектричний ефект (поява електричної напруги при згинанні та кручення п'єзоелектрика; про флексоелектрику див. тут), який вносить додатковий внесок у результуючу ефективність п'єзоелектричних пристроїв.
Найбільш сильно флексоелектричний ефект проявляє себе на нанорівні: у цьому випадку він утричі перевищує ефективністьп'єзоелектричний ефект. Це стосується насамперед PZT-матеріалів, виконаних у вигляді нанокантилеверів (балок нанометрових розмірів з однією точкою опори, рис. 4) товщиною в межах 20-23 нм. За таких умов нанокантилевер дуже гнучкий і чутливий до зовнішнього впливу. Будь-яке незначне коливання повітря чи вібрації, що передаються через точку опори, наводять кантилевер у рух, у результаті у ньому з'являються як пьезо-, і флексоелектрика. Розрахунки показали, що флексоелектричний ефект у кілька разів збільшує ефективність збирання енергії нанокантилевером. В результаті ефективність перетворення енергії збільшується на 100% порівняно зі звичайною п'єзокерамікою, а за певних форм кантилеверів збільшення може навіть досягати 200%.
Докладніше про флексоелектричний ефект у PZT-кераміці можна прочитати тут:Wenhui Ma, L. Eric Cross. Flexoelectric effect в ceramic lead circonate titanate //Appl. Phys. Lett.86 072 905 (2005).