Sähköisesti indusoidut dielektriset ja kaloriset ilmiöt ferrosähköisissä relaksoreissa

Väitöstyössä tutkittiin sähkökentällä aikaansaatuja polarisaatio- ja lämpöilmiöitä yksi- ja monikiteisissä ferrosähköisissä PMN-PT ja PZN-PT relaksorimateriaaleissa.

Toisin kuin tavanomaisissa materiaaleissa, joissa esimerkiksi sähkökenttä ja mekaaninen jännitys saavat aikaan suoran vasteen eli sähkövirran ja mekaanisen venymän, ferrosähköisyyteen perustuvissa materiaaleissa sähköiset, termiset, mekaaniset ja optiset ominaisuudet ovat keskenään voimakkaasti kytköksissä. Erityisesti materiaalin rakenteessa esiintyvän sähköisen dipolin muokattavuus erilaisilla herätteillä, kuten lämpötilalla, paineella tai sähkökentällä, mahdollistaa materiaalin mekaanisten, sähköisten, ja optisten ominaisuuksien älykkään muokkaamisen eri ilmiöiden kautta.

Väitöstyössä tutkituissa materiaaleissa on aikaisemmin havaittu erityisen voimakas pietsosähköinen, sähköstriktiivinen, pyrosähköinen ja elektro-optinen ilmiö. Nämä ilmiöt mahdollistavat materiaalien soveltamisen esimerkiksi paineantureissa, aktuaattoreissa, energiamuuntimissa, lämpökameroissa ja optisissa kytkimissä. Lisäksi viime aikoina on saatu merkkejä siitä, että näissä materiaaleissa voi esiintyä tavallista voimakkaampi sähkökalorinen ilmiö. Tämä ilmiö on herättänyt erityistä mielenkiintoa, koska sen onnistunut hyödyntäminen mahdollistaisi nykyratkaisuja tehokkaamman jäähdytyksen kiinteän olomuodon materiaalilla. Yhteistä näille materiaaleissa tapahtuville voimakkaille ilmiöille on niiden vahva linkittyminen materiaalin rakenteeseen ja siinä tapahtuviin muutoksiin, joiden ymmärtäminen nousee ensiarvoisen tärkeäksi erityisesti ilmiöiden hyödyntämisen näkökannalta.

Työssä suoritettujen mittausten avulla on havaittu, että materiaaleissa tapahtuu erilaisia palautuvia ja palautumattomia polarisaatio- ja lämpötilamuutoksia sähkökentän ja lämpötilan vaikutuksen alaisena. Havaitut muutokset on tulkittu materiaalin erilaisten faasistabiilisuusalueiden ja niiden välisten faasimuutosten avulla. Erityisesti voimakkaaseen pietsosähköisyyteen liittyvän polarisaation kääntymisen on havaittu työn mittausten perusteella noudattavan monimutkaista reittiä aikaisempaa laajemmalla materiaalin koostumusalueella. Faasimuutoksissa tapahtuvan lämpötilamuutoksen suora mittaus osoitti, että materiaaleissa esiintyvä sähkökalorinen ilmiö on voimakas erityisen laajalla lämpötila-alueella. Lisäksi työssä osoitettiin, että sähkökentän suuntaaminen ei-polariseen kidesuuntaan voi aiheuttaa yksikiteisessä materiaalissa käänteisesti käyttäytyvän sähkökalorisen ilmiön. Yksinkertaista hilamallia soveltamalla pystyttiin osittamaan, että materiaalista mitatut sähkökaloriset ominaisuudet selittyvät pääasiallisesti dipolientropian muutoksilla.

Saavutettujen tulosten avulla voidaan muodostaa tarkempi kuva relaksorimateriaalien rakenteesta ja käyttäytymisestä erityisesti sähkökentän vaikutuksen alaisena, jolloin taustalla olevia ilmiöitä voidaan hyödyntää paremmin. Lisäksi tulokset auttavat arvioimaan tämän tyyppisten materiaalien soveltuvuutta tulevaisuuden jäähdytyssovellutuksiin.