Effect of Pr³⁺ doping on the energy storage and electrocaloric performances of [(Bi 0.5 Na 0.5 ) 0.94 Ba 0.06 ] 0.975 Sr 0.025 TiO 3 antiferroelectric ceramic

L'elettronica moderna si sta rimpicciolendo, eppure genera calore che deve essere rimosso per continuare a funzionare. Mentre il raffreddamento tradizionale si affida a ventole e refrigeranti liquidi, una soluzione più silenziosa e compatta risiede nel comportamento di determinati materiali solidi che cambiano temperatura quando viene applicato o rimosso un campo elettrico. Questo fenomeno, noto come effetto elettrocalorico, offre una via verso il raffreddamento allo stato solido che potrebbe sostituire i ingombranti sistemi meccanici. Oltre al raffreddamento, questi stessi materiali possono immagazzinare energia elettrica, agendo come minuscole ed efficienti batterie in grado di caricarsi e scaricarsi rapidamente. La sfida per gli scienziati è trovare materiali che siano non solo efficaci in questi compiti, ma anche privi di piombo tossico, un ingrediente comune nelle vecchie ceramiche ad alte prestazioni che pone rischi ambientali.

In uno studio recente, ricercatori dell'Università di Sfax in Tunisia hanno esplorato una specifica ceramica priva di piombo per vedere se un piccolo ritocco nella sua composizione chimica potesse migliorare sia la sua capacità di raffreddamento che la sua capacità di immagazzinamento dell'energia. Il materiale di partenza è una miscela complessa di bismuto, sodio, bario, stronzio e titanio. Appartiene a una classe di materiali chiamati antiferroelettrici, dove le cariche elettriche interne sono disposte in coppie opposte che si annullano a vicenda, creando uno stato stabile. Quando viene applicato un forte campo elettrico, queste coppie opposte possono essere costrette ad allinearsi, un passaggio che rilascia o assorbe calore e immagazzina energia. Il team voleva sapere se l'aggiunta di una piccola quantità di praseodimio, un elemento delle terre rare, alla miscela avrebbe reso il materiale più reattivo ed efficiente.

I ricercatori hanno preparato due versioni della ceramica: una con la ricetta standard e un'altra in cui solo l'uno per cento degli atomi di bismuto è stato sostituito dal praseodimio. Hanno cotto i materiali in un forno per creare dischi solidi e li hanno poi sottoposti a test rigorosi. Utilizzando la diffrazione a raggi X, hanno confermato che la struttura cristallina rimaneva stabile e pura, con il praseodimio che si inseriva perfettamente nel reticolo senza interrompere il delicato equilibrio che definisce le proprietà del materiale. Questa è stata una scoperta cruciale, poiché ha dimostrato che l'aggiunta del nuovo elemento non aveva compromesso l'architettura fondamentale del materiale.

Quando il team ha misurato come il materiale rispondeva ai campi elettrici a temperatura ambiente, i risultati sono stati chiari. Il campione drogato con praseodimio si è dimostrato superiore in quasi ogni metrica. In termini di immagazzinamento dell'energia, il materiale drogato poteva trattenere e rilasciare più energia con meno sprechi. Nello specifico, a una temperatura di 310 Kelvin, il campione non drogato immagazzinava circa 229 millijoule di energia per centimetto cubo con un'efficienza del 72 percento. La versione drogata, tuttavia, ha aumentato tale immagazzinamento a circa 276 millijoule per centimetto cubo e ha incrementato l'efficienza al 77 percento. Questo miglioramento suggerisce che il praseodimio abbia reso più facile lo scambio degli stati delle cariche elettriche interne, permettendo al materiale di catturare più energia durante il processo di carica e di rilasciarne una maggiore durante la scarica.

Lo stesso drogaggio ha potenziato la capacità del materiale di raffreddare. Quando un campo elettrico veniva applicato e poi rimosso, la ceramica drogata sperimentava una variazione di temperatura leggermente maggiore rispetto alla versione non drogata. A 310 Kelvin sotto un campo di 40 kilovolt per centimetro, la variazione di temperatura è salita da 0,087 Kelvin nel campione puro a 0,095 Kelvin in quello drogato. Sebbene questi numeri sembrino piccoli, rappresentano un guadagno significativo di prestazioni per le applicazioni di raffreddamento allo stato solido, in particolare quando il materiale viene utilizzato vicino alla temperatura ambiente. I ricercatori hanno osservato che questo miglioramento era legato alla capacità del materiale di subire una transizione più fluida tra i suoi diversi stati interni quando il campo elettrico veniva applicato.

Lo studio ha anche esaminato come queste proprietà cambiassero all'aumentare della temperatura. Entrambi i materiali performavano ancora meglio man mano che si avvicinavano a una soglia specifica dove la loro struttura interna diventa meno ordinata, un punto noto come temperatura di depolarizzazione. Per il materiale drogato, questa soglia era più bassa, avvenendo a 366 Kelvin rispetto ai 396 Kelvin della versione non drogata. Questo spostamento ha permesso alla ceramica drogata di mantenere un'alta efficienza e una capacità di immagazzinamento dell'energia a temperature più pratiche per i dispositivi elettronici di uso quotidiano. A queste temperature più elevate, il campione drogato ha raggiunto una densità di immagazzinamento energetico superiore a 313 millijoule per centimetto cubo con un'efficienza del 94 percento, superando molte altre ceramiche prive di piombo riportate nella letteratura scientifica.

I ricercatori hanno concluso che l'aggiunta di praseodimio non ha alterato il confine di fase fondamentale del materiale, ma ne ha invece perfezionato il comportamento rendendolo più reattivo. Creando una struttura interna leggermente più disordinata, il praseodimio ha permesso ai dipoli elettrici di cambiare stato più facilmente, il che a sua volta ha migliorato sia le capacità di immagazzinamento dell'energia che quelle di raffreddamento. Questi risultati suggeriscono che questa specifica ceramica priva di piombo, quando drogata con una traccia di praseodimio, è un forte candidato per l'uso nel raffreddamento della microelettronica di prossima generazione e nei sistemi di immagazzinamento dell'energia ad alta capacità, offrendo una via percorribile per dispositivi che siano al contempo potenti e ambientalmente sicuri.