Cristales dopados con samario con piezoelectricidad

23.04.2019 - Estados Unidos

Un nuevo estudio informa de que, al introducir cantidades traza del elemento samario (Sm), los investigadores mejoran enormemente el rendimiento de los cristales piezoeléctricos utilizados en dispositivos piezoeléctricos avanzados como sensores. Si bien las cantidades de este elemento de tierras raras son relativamente minúsculas, aproximadamente un átomo por cada 1000 átomos del cristal padre, su efecto sobre las propiedades piezoeléctricas de los materiales es profundo, llegando hasta casi duplicar su rendimiento, según muestran los resultados.

Al ser sometidos a estrés mecánico, los materiales piezoeléctricos generan una carga eléctrica, lo que los hace idóneos para su uso en dispositivos como sonares subacuáticos y sistemas de imágenes médicas. Los dispositivos piezoeléctricos más avanzados a menudo utilizan un cristal de óxido de perovskita conocido como PMN-PT, que supera ampliamente a otros materiales piezoeléctricos comunes. Sin embargo, a pesar de la creciente demanda de dispositivos piezoeléctricos más avanzados, según los autores los progresos hacia la mejora del rendimiento de los cristales de PMN-PT ha sido lentos y se han visto limitados por el desafío de larga data de cultivar un cristal piezoeléctrico único de propiedades uniformes.

Fei Li y sus colegas informan sobre una nueva estrategia para sintetizar monocristales de PMN-PT dopado con Sm, con uniformidad y propiedades piezoeléctricas excepcionalmente altas. Si bien los cristales de PMN-PT ya cultivados poseen de por sí altos coeficientes piezoeléctricos (la cantidad de carga generada por cada unidad de fuerza) y abarcan entre los 1200 y los 2500 picoculombios por newton, los coeficientes de los cristales dopados con Sm de Li et al. casi duplican estos valores, con entre 3400 y 4100 pC N^-1. Un análisis adicional del material reveló que las propiedades piezoeléctricas "gigantes" de los cristales dopados con Sm surgen de una mayor heterogeneidad estructural en el interior del cristal, lo que sugiere que el dopaje de tierras raras sortea el problema de la uniformidad de los cristales. Los cristales de mayor tamaño que el nuevo método ofrece podrían reducir costes y desperdicio de material, ofreciendo además nuevas oportunidades de comercialización para aplicaciones de alto rendimiento. En un artículo de Perspective relacionado, Ji?í Hlinka comenta con mayor detalle los resultados del estudio.

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