Peneliti Memecahkan Tantangan Material Piezoelektrik yang Sudah Ada Sejak Lama

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

Panas dan tekanan dapat menurunkan sifat bahan piezoelektrik yang penting bagi 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 memulihkan 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. Yaitu, 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 Keharmonisan Material

“Jika dipol tidak sejajar, sulit untuk menghasilkan gelombang ultrasonik yang ditargetkan dengan amplitudo yang dibutuhkan untuk penggunaan praktis,” kata Xiaoning Jiang, penulis korespondensi dari sebuah makalah tentang penelitian ini dan Dekan F. Duncan Distinguished Professor of Mechanical and Aerospace Engineering 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 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 berdampak negatif pada pemungutan suara dan efisiensi perangkat.

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

Dan begitu dipol-dipol dalam suatu 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-kutub material secara menyeluruh sebelum mereka “berubah posisi” 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 didaur ulang 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 melepaskan 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 menyelaraskan dipol dalam material piezoelektrik-feroelektrik. Teknik yang paling banyak digunakan melibatkan penerapan medan listrik arus searah (DC) ke material, yang menarik semua dipol ke arah yang sama.

“Ini berfungsi dengan baik untuk menciptakan penyelarasan, tetapi hampir tidak mungkin untuk menghilangkan material hanya dengan menggunakan medan DC,” kata Jiang.

Teknik lain 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 dengan cara yang selaras.

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

Penemuan ini memiliki setidaknya dua konsekuensi signifikan bagi teknologi ultrasound.

“Jika kita dapat mengendalikan 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 pada komponen piezoelektrik-feroelektrik, karena kita dapat mengendalikan material menggunakan medan AC setelah perangkat dirakit.”

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

Referensi: “De-poling dan re-poling elektrik 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 Alami.
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.