فلکسوالکتریسیته در مواد جامد: سازوکار، تئوری، ضرایب و کاربردها

نوع مقاله: مقاله علمی ترویجی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، دانشکدة مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان

2 استاد دانشکدة مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان

3 استادیار دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان

چکیده

فلکسوالکتریسیته را می­توان یک اثر جفت­شدگی الکترومکانیکی کلی بین قطبش الکتریکی و گرادیان کرنش و برعکس، گرادیان میدان الکتریکی و کرنش الاستیک توصیف نمود. این پدیده می­تواند به‌عنوان یک اثر مرتبه بالاتر نسبت به پیزوالکتریسیته که پاسخ قطبش به کرنش می­باشد؛ در نظر گرفته شود. به هر حال، در مقیاس نانو، که گرادیان­های کرنش بزرگ انتظار می­رود، اثر فلکسوالکتریک قابل توجه است. اثر اندازة مربوط به گرادیان نشان می­دهد که اهمیت اثر فلکسوالکتریک در سیستم­های میکرو و نانو، قابل مقایسه با پیزوالکتریسیته و حتی فراتر از آن است. به‌علاوه، فلکسوالکتریسیته برخلاف پیزوالکتریسیته در هر ماده با هر تقارنی یافت می­شود. این بدان معناست که در مقایسه با پیزوالکتریسیته که در مواد با تقارن مرکزی، نامعتبر و غیرکاراست، آثار فلکسوالکتریسیته در تمامی مواد و سیستم­های زیستی وجود دارد. این ویژگی­ها سبب رشد فزایندة علاقه و تحقیقات به فلکسوالکتریسیته در دهة اخیر شده است. هم‌اکنون، در پژوهش­هایی نقش فلکسوالکتریسیته در فیزیک دی­الکتریک­ها مورد بررسی قرار گرفته و برای کاربردهای عملی امیدوارکنندة نشان داده است. از طرف دیگر، اختلاف نتایج تئوری و تجربی نشان از درک محدود در این زمینه دارد. این پژوهش به بررسی و مرور دانش فعلی در زمینة فلکسوالکتریسیته در جامدات می­پردازد.

کلیدواژه‌ها


[1] Q. Deng, L. Liu, P. Sharma, Flexoelectricity in soft materials and biological membranes, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, Vol. 62, pp. 209-227, 2014.

[2] A. G. Petrov, Flexoelectricity of model and living membranes, Biochimica et Biophysica Acta-Biomembranes, Vol. 1561, pp. 1-25, 2002.

[3] J. Y. Fu, W. Zhu, N. Li,  L. E. Cross, Experimental studies of the converse flexoelectric effect induced by inhomogeneous electric field in a barium strontium titanate composition, Journal of Applied Physics, Vol. 100, p. 24112, 2006.

[4] Q. Fu, Z. Y. Zhang, L. Kou, P. Wu, X. Han, X. Zhu, et al., Linear strain-gradient effect on the energy bandgap in bent CdS nanowires, Nano Research, Vol. 4, pp. 308-314, 2011.

[5] D. Lee, S. M. Yang, J.-G. Yoon, T. W. Noh, Flexoelectric rectification of charge transport in strain-graded dielectrics, Nano Letters, Vol. 12, pp. 6436-6440, 2012.

[6] M. Majdoub, R. Maranganti, P. Sharma, Understanding the origins of the intrinsic dead layer effect in nanocapacitors, Physical Review B, Vol. 79, p. 115412, 2009.

[7] T. D. Nguyen, S. Mao, Y. W. Yeh, P. K. Purohit,  M. C. McAlpine, Nanoscale flexoelectricity, Advanced Materials, Vol. 25, pp. 946-974, 2013.

[8] F. Jona, G. Shirane, Ferroelectric Crystals, Pergamon Press, 1963.

[9] W. Ma,  L. E. Cross, Flexoelectric polarization of barium strontium titanate in the paraelectric state, Applied Physics Letters, Vol. 81, pp. 3440-3442, 2002.

[10] P. Zubko, G. Catalan, A. Buckley, P. Welche, J. Scott, Strain-gradient-induced polarization in SrTiO 3 single crystals, Physical Review Letters, Vol. 99, p. 167601, 2007.

[11] P. Zubko, G. Catalan, A. K. Tagantsev, Flexoelectric effect in solids, Annual Review of Materials Research, Vol. 43, pp. 387-421, 2013.

[12] E. Bursian,  Z. Oi, Changes in curvature of a ferroelectric film due to polarization, Soviet Physics Solid State, Vol. 10, pp. 1121-1124, 1968.

[13] R. B. Meyer, Piezoelectric effects in liquid crystals, Physical Review Letters, Vol. 22, p. 918, 1969.

[14] V. Indenbom, E. Loginov, M. Osipov, Flexoelectric effect and crystal-structure, Kristallografiya, Vol. 26, pp. 1157-1162, 1981.

[15] A. G. Petrov, Electricity and mechanics of biomembrane systems: flexoelectricity in living membranes, Analytica Chimica Acta, Vol. 568, pp. 70-83, 2006.

[16] A. Buka, N. Éber, Flexoelectricity in Liquid Crystals: Theory, Experiments and Applications, World Scientific, 2012.

[17] V. Mashkevich, K. Tolpygo, Electrical, Optical and Elastic Properties of Diamond Type Crystal. 1, Soviet Physics Journal of Experimental and Theoretical Physics, Vol. 5, pp. 435-439, 1957.

[18] S. M. Kogan, Piezoelectric effect during inhomogeneous deformation and acoustic scattering of carriers in crystals, Soviet Physics-Solid State, Vol. 5, pp. 2069-2070, 1964.

[19] R. Maranganti, M. Majdoub, P. Sharma, Flexoelectricity in nanostructures and ramifications for the dead-layer effect in nanocapacitors and giant piezoelectricity, American Physical Society March Meeting Abstracts, 2009.

[20] X. Liang, S. Hu, S. Shen, Effects of surface and flexoelectricity on a piezoelectric nanobeam, Smart Materials and Structures, Vol. 23, p. 35020, 2014.

[21] G. Catalan, A. Lubk, A. Vlooswijk, E. Snoeck, C. Magen, A. Janssens, et al., Flexoelectric rotation of polarization in ferroelectric thin films, Nature Materials, Vol. 10, pp. 963-967, 2011.

[22] A. Abdollahi, C. Peco, D. Millán, M. Arroyo, G. Catalan,  I. Arias, Fracture toughening and toughness asymmetry induced by flexoelectricity, Physical Review B, Vol. 92, p. 94101, 2015.

[23] N. Sharma, C. Landis,  P. Sharma, Piezoelectric thin-film superlattices without using piezoelectric materials, Journal of Applied Physics, Vol. 108, p. 24304, 2010.

[24] N. Sharma, C. Landis,  P. Sharma, Erratum: Piezoelectric thin-film super-lattices without using piezoelectric materials, Journal of Applied Physics, Vol. 111, p. 59901, 2012.

[25] P. Yudin,  A. Tagantsev, Fundamentals of flexoelectricity in solids, Nanotechnology, Vol. 24, p. 432001, 2013.

[26] W. Ma, Flexoelectric charge separation and size dependent piezoelectricity in dielectric solids, Physica Status Solidi (b), Vol. 247, pp. 213-218, 2010.

[27] M. Majdoub, P. Sharma, T. Cagin, Enhanced size-dependent piezoelectricity and elasticity in nanostructures due to the flexoelectric effect, Physical Review B, Vol. 77, p. 125424, 2008.

[28] A. Tagantsev, Piezoelectricity and flexoelectricity in crystalline dielectrics, Physical Review B, Vol. 34, p. 5883, 1986.

[29] H. Le Quang, Q.-C. He, The number and types of all possible rotational symmetries for flexoelectric tensors, Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, London, 2011.

[30] L. Shu, X. Wei, T. Pang, X. Yao,  C. Wang, Symmetry of flexoelectric coefficients in crystalline medium, Journal of Applied Physics, Vol. 110, p. 104106, 2011.

[31] R. Maranganti, P. Sharma, Atomistic determination of flexoelectric properties of crystalline dielectrics, Physical Review B, Vol. 80, p. 54109, 2009.

[32] R. Maranganti, N. Sharma, P. Sharma, Electromechanical coupling in nonpiezoelectric materials due to nanoscale nonlocal size effects: Green’s function solutions and embedded inclusions, Physical Review B, Vol. 74, p. 14110, 2006.

[33] W. Ma, L. E. Cross, Flexoelectric effect in ceramic lead zirconate titanate, Applied Physics Letters, Vol. 86, p. 72905, 2005.

[34] W. Ma,  L. E. Cross, Flexoelectricity of barium titanate, Applied Physics Letters, Vol. 88, p. 2902, 2006.

[35] W. Ma, L. E. Cross, Strain-gradient-induced electric polarization in lead zirconate titanate ceramics, Applied Physics Letters, Vol. 82, pp. 3293-3295, 2003.

[36] W. Ma, L. E. Cross, Observation of the flexoelectric effect in relaxor Pb (Mg1/3Nb2/3) O3 ceramics, Applied Physics Letters, Vol. 78, pp. 2920-2921, 2001.

[37] L. E. Cross, Flexoelectric effects: Charge separation in insulating solids subjected to elastic strain gradients, Journal of Materials Science, Vol. 41, pp. 53-63, 2006.

[38] J. Lu, X. Liang, S. Hu, Flexoelectricity in solid dielectrics: from theory to applications, CMC: Computers, Materials & Continua, Vol. 45, pp. 145-162, 2015.

[39] Y. Li, L. Shu, Y. Zhou, J. Guo, F. Xiang, L. He, et al., Enhanced flexoelectric effect in a non-ferroelectric composite, Applied Physics Letters, Vol. 103, p. 142909, 2013.

[40] L. Shu, F. Li, W. Huang, X. Wei, X. Yao,  X. Jiang, Relationship between direct and converse flexoelectric coefficients, Journal of Applied Physics, Vol. 116, p. 144105, 2014.

[41] Q. Deng, M. Kammoun, A. Erturk, P. Sharma, Nanoscale flexoelectric energy harvesting, International Journal of Solids and Structures, Vol. 51, pp. 3218-3225, 2014.

[42] K. Wang, B. Wang, An analytical model for nanoscale unimorph piezoelectric energy harvesters with flexoelectric effect, Composite Structures, Vol. 153, pp. 253-261, 2016.

[43] K. Wang, B. Wang, Non-linear flexoelectricity in energy harvesting, International Journal of Engineering Science, Vol. 116, pp. 88-103, 2017.

[44] S. Hu, H. Li,  H. Tzou, Static nano-control of cantilever beams using the inverse flexoelectric effect, ASME 2011 International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Denver, Colorado, USA November 11–17, 2011.

[45] S. R. Kwon, W. Huang, S. Zhang, F. G. Yuan,  X. Jiang, Flexoelectric sensing using a multilayered barium strontium titanate structure, Smart Materials and Structures, Vol. 22, p. 115017, 2013.

[46] X. Yan, W. Huang, S. R. Kwon, S. Yang, X. Jiang, F.-G. Yuan, A sensor for the direct measurement of curvature based on flexoelectricity, Smart Materials and Structures, Vol. 22, p. 85016, 2013.

[47] W. Huang, S. Yang, N. Zhang, F.-G. Yuan, X. Jiang, Cracks monitoring and characterization using Ba0, 64Sr0.36TiO3 flexoelectric strain gradient sensors, Proceedings of SPIE Smart Structures and Materials Nondestructive Evaluation and Health Monitoring, San Diego, California, USA, March 8-9, 2014.