Perowskity to materiały, które są stosowane w przemyśle motoryzacyjnym, elektronice, panelach fotowoltaicznych i nowoczesnej aparaturze naukowo-badawczej. Mówi się o nich w kontekście energii przyszłości. Wyjątkowe właściwości perowskitów tlenowych od wielu lat badają fizycy z Uniwersytetu Śląskiego. Aby wytłumaczyć przyczynę zaobserwowanego silnego zjawiska piezoelektrycznego, zaprojektowali specjalną przystawkę do stolika mikroskopu optycznego, a ich wynalazek został właśnie opatentowany.

Poszczególne kolory odpowiadają innym kierunkom wektora polaryzacji w odniesieniu do linii horyzontalnej. Widać wyraźnie, jak działanie pola elektrycznego wpływa na te kierunki w krysztale perowskitu. Właśnie tak wyraźna zmiana tych kierunków prowadzi do gigantycznego zjawiska piezoelektrycznego. Po lewej: struktura domenowa bez pola, po prawej: struktura domenowa w polu elektrycznym

Na co dzień autorzy chronionego rozwiązania badają m.in. właściwości optyczne, piezoelektryczne, dielektryczne i cieplne kryształów i ceramik o strukturze perowskitu.

– Podczas pomiarów zaobserwowaliśmy wręcz gigantyczną odpowiedź piezoelektryczną w jednym z kryształów PZT. To nas zaskoczyło. Zastanawialiśmy się, co może być źródłem takiej anomalii i jak eksperymentalnie sprawdzić nasze hipotezy – mówi dr hab. Iwona Lazar, prof. UŚ, współautorka patentu i dodaje – Podejrzewaliśmy, że jest to związane z dynamiką struktury domenowej kryształu w polu elektrycznym.

W komercyjnych mikroskopach można badać ten proces w polu elektrycznym o kierunku prostopadłym do wiązki padającego światła, wykorzystując nieprzezroczyste elektrody. Problem polegał jednak na tym, że w przypadku zaobserwowanego zjawiska należałoby stosować pole elektryczne o kierunku równoległym do wiązki światła i użyć elektrod przepuszczających światło.

– Zaczęliśmy się zastanawiać, w jaki sposób umieścić elektrody z przezroczystego materiału na naszych kryształach, aby funkcjonowały w szerokim zakresie temperatur. Rozwiązaniem była zaprojektowana przez nas przystawka do układu pomiarowego – mówi prof. Iwona Lazar.

Przystawka jest stosunkowo mała i została dołączona do układu pozwalającego badać zjawisko dwójłomności.

– Przedmiot może być oczywiście stosowany także w innych mikroskopach. Warto dodać, że mogą z niej korzystać nie tylko fizycy, lecz również biolodzy i chemicy, których interesują właściwości różnych przezroczystych materiałów w polu elektrycznym – dodaje mgr inż. Andrzej Soszyński.

– Nasz układ jest wyjątkowy. Został opracowany ponad 20 lat temu w Uniwersytecie w Oksfordzie w Anglii i mierzy dwójłomność optyczną kilka rzędów wielkości mniejszą od spotykanej w znanych kryształach, takich jak kalcyt – wyjaśnia prof. dr hab. Krystian Roleder.

Należy podkreślić, że kryształy o strukturze perowskitu, o których mowa, również są unikatami na skalę światową. Fizyk zwraca uwagę na fakt, że są produkowane obecnie w zaledwie kilku miejscach na świecie, w tym w Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie przez dr. Andrzeja Majchrowskiego, z którym badacze z UŚ współpracują od wielu lat.

– Otrzymujemy kryształy bardzo wysokiej jakości. Dzięki zaprojektowanej przystawce mogliśmy zaobserwować w nich zmiany w populacji domen w polu elektrycznym. Eksperyment potwierdził, że za gigantyczne zjawisko piezoelektryczne, o którym wspominała na początku prof. Iwona Lazar, odpowiadają zmiana populacji domen oraz łatwa zmiana kierunku wektora polaryzacji pod wpływem nawet słabego (w porównaniu z np. „modnymi” relaksorami) natężenia pola elektrycznego – dodaje współautor wynalazku.

Różnica wartości współczynnika piezoelektrycznego jest znacząca. Dla kwarcu wynosi 2 pm/V, natomiast w kryształach badanych przez fizyków z UŚ może osiągnąć poziom kilkunastu tysięcy. Sensacyjny wynik pomiaru pozwala więc mieć nadzieję na nowe zastosowania takich materiałów.

Obecnie naukowcy muszą się jeszcze zmierzyć z problemem stabilnych właściwości ich materiałów w warunkach zmieniającej się temperatury. Wspomniany kwarc zachowuje stabilne właściwości w szerokim zakresie temperatur. Życzeniem fizyków jest więc to, by taką stabilność miały badane kryształy o strukturze perowskitu.

Autorami opatentowanego wynalazku są uczeni z Wydziału Nauk Ścisłych i Technicznych: dr hab. Iwona Lazar, prof. UŚ, mgr inż. Andrzej Soszyński, mgr Janusz Koperski i prof. dr hab. Krystian Roleder.