Fortschritte bei bleifreien piezoelektrischen Nanofüllmaterialien und verwandten kompositen Nanogeneratorgeräten

Aktuelle piezoelektrische Gerätesysteme benötigen eine signifikante Reduktion in Größe und Gewicht, damit elektronische Module mit wachsender Kapazität und Funktionalität in eine Vielzahl von Anwendungen integriert werden können, insbesondere in Energiesystemplattformen. Die zentrale Frage für die meisten Anwendungen ist, ob sie im Wettbewerb um Miniaturisierung und eine einfache Integration mit hoch anpassbaren Eigenschaften in verschiedene Systemtechnologien wie nano-elektromechanische Systeme (NEMS) konkurrieren können. Piezoelektrische NEMS haben das Potenzial, Zugang zu einem Parameterraum für Sensorik, Aktorik und Energieversorgung zu bieten, was einflussreich und faszinierend ist. Glücklicherweise fördern aktuelle Fortschritte in den Bereichen Modellierung, Synthese und Charakterisierungstechniken beispiellose Entwicklungen in einem neuen Bereich von piezoelektrischen Nanomaterialien und -geräten. Während der Bedarf, die piezoelektrischen Nanomaterialien näher zu betrachten, durch den unermüdlichen Drang zur Miniaturisierung angetrieben wird, gibt es eine zusätzliche Motivation: Die piezoelektrischen Materialien, die die größten elektro-mechanischen Antworten zeigen, sind derzeit toxische blei (Pb)-basierte Perowskitmaterialien (wie das allgegenwärtige Pb(Zr,Ti)O3, PZT). Dies ist wichtig, da es einen starken gesetzlichen und moralischen Druck gibt, toxische Blei-Verbindungen aus kommerziellen Produkten zu entfernen. Bislang hat das Fehlen tragfähiger Alternativen dazu geführt, dass es weiterhin Ausnahmen gibt, um ihre vorübergehende Verwendung in piezoelektrischen Anwendungen zu ermöglichen. Allerdings wird die bestehende Ausnahme bald auslaufen, und die gleichzeitige Verbesserung bleifreier piezoelektrischer Materialien hat zur Möglichkeit geführt, dass keine neue Ausnahme gewährt wird. In diesem Papier werden die universellen Ansätze und aktuellen Fortschritte im Bereich bleifreier piezoelektrischer Nanomaterialien systematisch ausgearbeitet, zunächst mit Fokus auf hybride Verbundmaterialien sowie einzelne Nanopartikel und verwandte Energieerntesysteme. Das Papier beginnt mit einer kurzen Einführung in die relevanten Eigenschaften verschiedener piezoelektrischer Nanomaterialien und einer kurzen Beschreibung des aktuellen Standes der Technik für bleifreie piezoelektrische nanostrukturierte Materialien. Anschließend beschreiben wir mehrere Schlüsselmethoden zur Synthese von nanostrukturierten Materialien einschließlich Nanopartikeln, gefolgt von einer detaillierten Diskussion über aktuelle und aufkommende Anwendungen.