Z ozirom na optimizacijo elektromehanskih in elektrokaloričnih lastnosti keramike (1–x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3 (PMN-xPT) za izdelavo večfunkcijskih elementov v hladilni napravi, je bil eden od ciljev raziskovalnega projekta razumeti povezavo med domensko strukturo in makroskopskim funkcijskih odzivom keramike PMN-xPT. V ta namen smo študirali dinamiko domenskih sten in fazne spremembe pod električnim poljem z »ex-situ« presevno elektronsko mikroskopijo (TEM) in mikroskopijo na atomsko silo s piezoelektričnim modulom (PFM). Sestave, ki smo jih podrobno raziskali, so bile PMN-xPT z x = 0.3 in 0.35. V sodelovanju s kolegi iz ZDA, smo analize podprli z »in-situ« sinhrotronsko rentgensko difrakcijo (XRD). Rezultati so pokazali, da se odzivi v različnih sestavah PMN-xPT kvalitativno in kvantitativno razlikujejo v odvisnosti od lokalne strukture in lokalnega polarnega urejanja. Opazili smo, da imajo v monoklinski sestavi (x=0.3) za makroskopski funkcijski odziv najverjetneje ključno vlogo visoko-mobilne domenske stene na gosto nanizanih domenah, urejenih v hierarhično zgradbo. Po drugi strani se v morfotropni sestavi (x=0.35) pod električnim poljem zgodi fazna pretvorba iz monoklinske v tetragonalno fazo, kar smo tudi potrdili z »in-situ« XRD analizo. Rezultati so dali vpogled v lokalne mehanizme, povezane z razvojem domenske strukture in pretvorbo faz različnih simetrij pod vplivom zunanjega polja, ki ključno prispevajo k visokemu elektromehanskemu odzivu keramike PMN-xPT okrog morfotropne fazne meje. Članek smo objavili v reviji Acta Materialia z visokim faktorjem vpliva (6.036 za leto 2017; vir: COBISS+).
COBISS.SI-ID: 31410471
Mehanokemijska sinteza igra pomembno vlogo pri sintezi keramičnih prahov kompleksnih kemijskih sestav. Slabost metode je ta, da so za sintezo prahov med samim mletjem običajno potrebni dolgi časi (tudi )100 ur pri recimo sintezi (1–x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3 (PMN-xPT) z x = 0.1). V okviru sinteznega dela projekta smo želeli optimizirati postopek priprave projektnih PMN-xPT sestav, pri čemer smo uporabili inovativen pristop uporabe prašnih kali PT v začetni mešanici prahov. Ugotovili smo, da prisotnost kali pospeši sintezo PMN-0.1PT, pri čemer se čas sinteze zmanjša za približno polovico. S kombinacijo kvantitativne rentgenske analize in visokoločjivostne presevne elektronske mikroskopije smo razložili vlogo kali, ki delujejo kot kristalizacijska jedra v amorfni fazi in s tem pospešijo kristalizacijo perovskitne faze med mletjem. Članek smo objavili v reviji J. Eur. Ceram. Soc., ki je bila v letu 2017 prva na področju keramike (vir: COBISS+).
COBISS.SI-ID: 31988263
Da bi potrdili osnovno idejo raziskovalnega projekta, smo z metodo končnih elementov modelirali delovanje elektrokaloričnega (EK) hladilnika za morebitno uporabo v mikroelektroniki. Bistveni deli hladilnika so ročice na osnovi (1–x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3 (PMN-xPT) z x=0.1, ki se pod vplivom električnega polja istočasno upogibajo in izkazujejo EK spremembo temperature. Rezultati modeliranja so potrdili, da s toplotnimi stiki med ročicami ustvarimo temperaturni gradient, kar je teoretično potrdilo koncept projektne hladilne naprave. Članek smo objavili v eni najpomembnejših revij s področja aplikativne fizike (Applied Physics Letters), ki ga naša raziskovalna skupnost redno bere.
COBISS.SI-ID: 29824039
Izvor visokih elektromehanskih in elektrokaloričnih odzivov v sistemu (1–x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3 (PMN-xPT), na katerem smo zasnovali projekt, so kompleksni in ne povsem raziskani. Da bi podrobneje razumeli tovrstne odzive in s tem bili sposobni optimizirati večfunkcijske strukture v projektni hladilni napravi, smo želeli podrobneje razumeti mehanizme, ki prispevajo k celokupnem funkcijskem odzivu keramike PMN-0.3PT. Le-te smo določili s spremljanjem strukturnih sprememb pod vplivom električnega polja z direktno »in-situ« rentgensko difrakcijsko analizo. Rezultati so razkrili dva mehanizma: (i) rotacijo polarizacije in (ii) reverzibilno fazno pretvorbo med dvema monoklinskima fazama. Čeprav je mehanizem rotacije polarizacije znan iz literature, so jo naše analize prvič eksperimentalno in nedvoumno dokazale. Rezultati študije tako prispevajo k boljšemu razumevanju funkcijskih lastnosti keramike PMN-xPT. Delo smo objavili v reviji Physical Review B, ki je ena od najbolj branih strokovnih revij s področja fizike.
COBISS.SI-ID: 31471911
Številnih mikroskopskih mehanizmov, ki ključno vplivajo na elektrokalorični (EK) odziv keramičnih materialov, ne razumemo. Primer so točkasti defekti, ki lahko na različne načine interreagirajo z domenskimi stenami znotraj zrn feroelektrične keramike in s tem vplivajo na makroskopski polarizacijski odziv pod poljem ter potencialno na EK odziv. Eden od ciljev projekta je bilo razčistiti nekaj teh mehanizmov, s čimer bi lahko projektne sestave izboljšali. Tovrstne študije smo naredili na Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) keramiki, v kateri je vpliv defektov na polarizacijo znan, manj znano pa je kako defekti v PZT vplivajo na EK odziv. V okviru skrbno pripravljenih vzorcev PZT z različnimi dopanti in v kombinaciji z analitičnim modeliranjem smo ugotovili, da ima pri EK odzivu ključno vlogo histereza v odzivu polarizacija-električno-polje (P-E), ki jo določa vrsta, mobilnost in porazdelitev točkastih defektov znotraj zrn. Ta histereza namreč predstavlja izgube in torej vodi do nezaželenega gretja, zaradi česar se hladilni EK učinek zmanjša. Rezultati še posebej nakazujejo na to, da je pri izboru materialov za EK naprave potrebno upoštevati izgube, ki imajo lahko izvor tako v električni prevodnosti kot preklapljanju feroelektričnih domen. V obeh primerih je možno izgube kontrolirati z izborom ustreznih dopantov (recimo akceptorskih in donorskih dopantov v PZT), ki oblikujejo defektno kemijo materiala.
COBISS.SI-ID: 31696935