В связи с миниатюризацией создаваемых устройств до микро- и даже наноразмеров появляется необходимость и в создании наноразмерных пьезоэлектриков. Недавно способность к генерации электричества была успешно продемонстрирована на нанопроволоках ZnO и GaN. Однако их пьезоэлектрические константы достаточно низки, что заставляет искать для этих целей другие материалы, например, титанат бария BaTiO3 и титанат-цирконат свинца (PTZ), у которых пьезоэлектрические константы высоки.
Для исследования пьезоэлектрических свойств нанонитей титаната бария к монокристаллическому образцу прикладывали растягивающее напряжение. При периодическом изменении механического напряжения, генерируемого с помощью прецизионной аппаратуры, наблюдалось периодическая генерация электрического напряжения. Измеренное электрическое напряжение оказалось пропорциональным прилагаемой нагрузке. Этот эффект был объяснен с помощью эквивалентной электрической схемы.
Для более детального изучения пьезоэлектрических свойств необходимо более контролируемо прилагать механическую нагрузку. Это и было исследовано группой ученых во главе с Zhaoyu Wang на примере титаната бария. Напряжение создавалось с помощью миниатюрного устройства нанометрового разрешения, а электрическое напряжение измерялось с помощью высокочувствительного датчика с быстрым откликом. Для измерений использовалась схема, изображенная на рис. 1, состоявшая из двух кремниевых баз, между которыми оставался зазор порядка 3 μм. Нанопроволока титаната бария помещалась словно мостик над этим зазором. При этом одна из баз покоилась, а другая приводилась в движение с помощью обычной пьезоэлектрической каретки. Измерения проводили в вакууме.
На рис. 2 показана типичная кривая отклика титаната бария при приложении периодического воздействия с помощью пьезоэлектрической каретки. Видно, что материал реагирует на внезапное изменение механической нагрузки. Как при увеличении, так и при уменьшении нагрузки после скачка напряжения виден спад. Аналогичная зависимость видна и при других амплитудах входного сигнала.
Эквивалентная схема, с помощью которой можно объяснить полученные данные, приведена на рис. 3. С ее помощью было показано, что зависимость выходного сигнала от времени выглядит как
Vout(t)=gCaVnw(t)exp(-t/ta),
где g - коэффициент усиления, ta - характерное время. Сопоставление этих данных с экспериментальными результатами (рис. 4) показывает хорошее совпадение.
Кроме демонстрации возможности прямого изучения пьезоэффекта для нанообъектов в работе показана возможность использования перовскитных пьезоэлектрических нанопроволок в энергосберегающих системах. Энергосберегающие системы – это устройства, направленные на аккумуляцию и хранение энергии. Часто они используют солнечную энергию, океанские приливы и отливы, а также пьезоэлектричество. Таким образом, способность пьезоэлектриков генерировать электрический ток при механической деформации является перспективной при создании таких устройств для использовании как в промышленности, так и в военных целях.
