Peneliti Memecahkan Tantangan Material Piezoelektrik yang Sudah Ada Sejak Lama

Sebuah teknik baru yang dikembangkan oleh para peneliti memungkinkan pemulihan sifat penting dalam bahan piezoelektrik pada suhu ruangan, menyederhanakan perbaikan dan memperpanjang umur perangkat ultrasound dan sonar.

Read Also

Kelompok garis keras mendominasi pemungutan suara di parlemen Iran yang menghasilkan seruan boikot dan jumlah pemilih yang tampaknya rendah

04 Mar 2024

Panas dan tekanan dapat menurunkan sifat bahan piezoelektrik yang penting untuk teknologi sonar dan ultrasonik tingkat lanjut. Secara tradisional, perbaikan kerusakan ini melibatkan pembongkaran perangkat dan pemaparan bahan pada suhu yang lebih tinggi. Kini, para peneliti telah mengembangkan teknik untuk mengembalikan sifat-sifat ini pada suhu ruangan, menyederhanakan proses perbaikan dan membuka jalan bagi teknologi ultrasonik baru.

Bahan piezoelektrik memiliki banyak aplikasi, termasuk teknologi sonar dan perangkat yang menghasilkan dan merasakan gelombang ultrasonik. Namun, agar perangkat ini dapat menghasilkan gelombang sonar atau ultrasonik secara efisien, bahan tersebut perlu “dipoles”.

Hal ini dikarenakan material piezoelektrik yang digunakan untuk aplikasi sonar dan ultrasound sebagian besar bersifat feroelektrik. Dan seperti semua material feroelektrik, material ini menunjukkan fenomena yang disebut polarisasi spontan. Artinya, material ini mengandung pasangan ion bermuatan positif dan negatif yang disebut dipol. Ketika material feroelektrik terpolarisasi, artinya semua dipolnya telah ditarik agar sejajar dengan medan listrik eksternal. Dengan kata lain, semua dipol berorientasi pada arah yang sama, yang membuat sifat piezoelektriknya lebih menonjol.

Tantangan dalam Menjaga Keselarasan Material

Read Also

13 Hal yang Tidak Anda Ketahui Tentang Stasiun Luar Angkasa Internasional

24 Jan 2024

“Jika dipol-dipol tersebut tidak selaras, maka sulit untuk menghasilkan gelombang ultrasonik yang ditargetkan dengan amplitudo yang dibutuhkan agar dapat digunakan secara praktis,” kata Xiaoning Jiang, penulis korespondensi dari sebuah makalah mengenai penelitian ini dan Dekan F. Duncan, Profesor Terhormat Teknik Mesin dan Dirgantara di Universitas Negeri Carolina Utara.

“Menjaga keselarasan bahan piezoelektrik-feroelektrik menimbulkan sejumlah tantangan signifikan, karena dipol dapat mulai kehilangan keselarasannya saat terkena suhu tinggi atau tekanan tinggi,” kata Jiang.

“Ini juga merupakan masalah manufaktur, karena membatasi bahan dan proses lain yang dapat digunakan saat membuat perangkat ultrasound,” kata Jiang. “Dan karena suhu yang ditinggikan tidak terlalu tinggi – Anda dapat melihat masalah penyelarasan serendah 70 derajat Celsius – bahkan pengiriman atau penyimpanan teknologi ini terkadang dapat memberikan pengaruh buruk pada poling dan efisiensi perangkat.

“Terlebih lagi, penggunaan beberapa teknologi dalam jangka panjang dapat mengakibatkan perangkat itu sendiri menghasilkan panas yang berisiko merusak material piezoelektrik-feroelektrik.”

Dan setelah dipol-dipol pada material tidak lagi sejajar, mengembalikannya ke posisi sejajar tidaklah mudah. ​​Material piezoelektrik-feroelektrik perlu dikeluarkan dari perangkat dan terkena panas tinggi – 300 derajat Celsius atau lebih – untuk menghilangkan kutub material sepenuhnya sebelum “menata ulang” dan menarik dipol-dipol kembali ke posisi sejajar.

“Penting untuk menggunakan kembali bahan piezoelektrik-feroelektrik ini karena harganya biasanya mahal – Anda tidak ingin membuangnya begitu saja,” kata Jiang. “Namun, sering kali bahan tersebut diambil kembali dan sisa perangkat ultrasonik dibuang.

“Kami telah mengembangkan teknik yang memungkinkan kami untuk melepaskan dan mengganti kutub bahan piezoelektrik-feroelektrik pada suhu ruangan. Itu berarti kami dapat menarik kembali dipol agar sejajar tanpa mengeluarkan bahan dari perangkat – dan ini dapat dilakukan berulang kali, sesuai kebutuhan.”

Memahami Teknik Baru

Untuk memahami teknik baru ini, Anda perlu memahami bahwa ada dua cara untuk menarik dipol-dipol pada material piezoelektrik-feroelektrik agar sejajar. Teknik yang paling banyak digunakan melibatkan penerapan medan listrik arus searah (DC) ke material, yang menarik semua dipol ke arah yang sama.

“Cara ini bekerja dengan baik untuk menciptakan penyelarasan, tetapi secara virtual mustahil untuk melepaskan material hanya dengan menggunakan medan DC,” kata Jiang.

Teknik lainnya melibatkan penerapan medan listrik arus bolak-balik (AC) ke material, yang menyebabkan dipol berosilasi sebagai respons terhadap gelombang di medan tersebut, hingga medan tersebut dihilangkan, pada titik mana dipol terkunci pada tempatnya secara selaras.

“Kami menemukan bahwa kami juga dapat menghilangkan kutub material menggunakan medan AC, bahkan pada suhu ruangan. Jika material tersebut awalnya dipoles menggunakan medan DC, kami dapat menghilangkan sebagian besar poles dengan medan AC – tetapi tidak semuanya,” kata Jiang. “Namun, jika material tersebut awalnya dipoles dengan medan AC, kami menemukan bahwa hal itu juga dapat menghilangkan kutub material sepenuhnya menggunakan medan AC.”

Penemuan ini setidaknya memiliki dua konsekuensi signifikan bagi teknologi ultrasound.

“Jika kita dapat mengarahkan material piezoelektrik-feroelektrik pada suhu ruangan, itu berarti kita dapat mengubah material dan proses manufaktur lain yang kita gunakan saat membuat perangkat ultrasonik untuk mengoptimalkan kinerjanya,” kata Jiang. “Kita tidak lagi terbatas pada material dan proses yang tidak akan memengaruhi polarisasi dalam komponen piezoelektrik-feroelektrik, karena kita dapat mengarahkan material menggunakan medan AC setelah perangkat dirakit.

“Selain itu, hal ini berarti kami dapat dengan mudah memasang kembali bahan-bahan pada perangkat yang sudah ada, yang diharapkan akan memberikan kami kinerja puncak jangka panjang untuk teknologi ini.”

Referensi: “De-poling dan re-poling listrik kristal tunggal piezoelektrik relaxor-PbTiO3 tanpa perlakuan panas” oleh Hwang-Pill Kim, Mao-Hua Zhang, Bo Wang, Huaiyu Wu, Zhengze Xu, Sipan Liu, Sunho Moon, Yohachi Yamashita, Jong Eun Ryu, Jun Liu, Shujun Zhang, Long-Qing Chen dan Xiaoning Jiang, 30 Juli 2024, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038/s41467-024-50847-3

Pekerjaan ini dilakukan dengan dukungan dari Kantor Penelitian Angkatan Laut, di bawah hibah N00014-21-1-2058; Yayasan Sains Nasional, di bawah hibah 2011978, 2309184 dan 2133373; dan dari Laboratorium Nasional Lawrence Livermore milik Departemen Energi AS di bawah kontrak DE-AC52-07NA27344.