Flexoelectricity at surface instabilities and stress singularities

Abstract

(English) The flexoelectric effect, the two-way linear coupling between strain gradient and electric polarization (direct flexoelectricity) or electric field gradient and strain (converse flexoelectricity) universally present in any dielectric, has given rise to a new research area referred to as strain gradient engineering in which in contrast to the conventional wisdom that views strain gradients as undesirable, researchers seek to mobilize strain gradients in a smart way to design sensors, actuators, and energy harvesting devises for next-generation micro/nano electromechanical systems. Ionic crystals with high dielectricity, such as ferroelectric perovskites at their paraelectric phase, achieve the best flexoelectric properties and have thus been a favorite to explore the flexoelectric effect. Nevertheless, large strain gradients are required for the flexoelectric effect to be noticeable. In these materials, large enough strain gradients are only achieved at very small scales. Soft and deformable materials, on the other hand, can endure large strains at larger scales before failure making them suitable candidates for the development of electromechanical devices. The focus of this thesis is two-fold, on the one hand, it explores novel ways to generate electricity in soft materials, including non-piezoelectric dielectric elastomers, under non-homogeneous fields. In particular, surface instabilities in flexoelectric film/ dielectric substrate are explored in depth. On the other hand, the manifestations of flexoelectricity on material behavior, in particular around stress singularities are explored.

(Español) El efecto flexoeléctrico, el acoplamiento lineal bidireccional entre el gradiente de deformación y la polarización eléctrica (flexoelectricidad directa) o el gradiente de campo eléctrico y la deformación (flexoelectricidad inversa) universalmente presente en cualquier dieléctrico, ha dado lugar a una nueva área de investigación denominada ingeniería de gradiente de deformación. En contraste con la sabiduría convencional que considera que los gradientes de tensión son indeseables, los investigadores buscan movilizar los gradientes de tensión de una manera inteligente para diseñar sensores, actuadores y dispositivos de recolección de energía para sistemas electromecánicos micro/nano de próxima generación. Los cristales iónicos con alta dielectricidad, como las perovskitas ferroeléctricas en su fase paraeléctrica, logran las mejores propiedades flexoeléctricas y, por lo tanto, han sido los favoritos para explorar el efecto flexoeléctrico. Sin embargo, se requieren grandes gradientes de deformación para que el efecto flexoeléctrico sea perceptible. En estos materiales, los gradientes de deformación lo suficientemente grandes solo se logran a escalas muy pequeñas. Los materiales blandos y deformables, por otro lado, pueden soportar grandes tensiones a escalas mayores antes de fallar, lo que los convierte en candidatos adecuados para el desarrollo de dispositivos electromecánicos. El enfoque de esta tesis es doble. Por un lado, explora nuevas formas de generar electricidad en materiales blandos, incluidos elastómeros dieléctricos no piezoeléctricos, bajo campos no homogéneos. En particular, se exploran en profundidad las inestabilidades superficiales en la película flexoeléctrica/sustrato dieléctrico. Por otro lado, se exploran las manifestaciones de la flexoelectricidad sobre el comportamiento de los materiales, en particular en torno a singularidades de tensión.