This report describes the actuator functionality of a ceramic composite that uses the volume change caused by the insulator–metal (I–M) transition of VO2. When an electrical field was applied at 295 K, 50 vol. %-VO2/Al2O3 ceramic composite underwent the I–M transition because the VO2 powder dispersed in the composite became metallic. Simultaneous measurement of IV characteristics and linear strain demonstrated that this I–M transition was accompanied by a positive strain. This strain increased with increase in the limit current value, which limits excessive current flow after transition. The strain exceeded 1300 ppm at maximum. Its magnitude corresponded to the volume change obtained from thermal expansion measurements on the composite. This composite performs a volume-change-driven actuator function that is distinct from the strain-driven counterpart of piezoelectric materials.

1.
S.
Das Mahapatra
,
P. C.
Mohapatra
,
A. I.
Aria
,
G.
Christie
,
Y. K.
Mishra
,
S.
Hofmann
, and
V. K.
Thakur
,
Adv. Sci.
8
,
2100864
(
2021
).
2.
A. E.
Clark
,
J. P.
Teter
, and
O. D.
McMasters
,
J. Appl. Phys.
63
,
3910
(
1988
).
3.
J.
Rodel
,
W.
Jo
,
K. T. P.
Seifert
,
E.-M.
Anton
,
T.
Granzow
, and
D.
Damjanovic
,
J. Am. Ceram. Soc.
92
,
1153
(
2009
).
4.
E. F.
Wasserman
, in
Ferromagnetic Materials
, edited by
K. H. J.
Buschow
and
E. P.
Wohlfarth
(
Elsevier Science Publishing
,
1990
), Vol.
5
, pp.
237
322
.
5.
Y. J.
Ke
,
S. C.
Wang
,
G. W.
Liu
,
M.
Li
,
T. J.
White
, and
Y.
Long
,
Small
14
,
1802025
(
2018
).
6.
K.
Takenaka
,
T.
Sugiura
,
Y.
Kadowaki
,
M.
Ozeki
,
Y.
Okamoto
, and
A.
Fujita
,
J. Phys. Soc. Jpn.
90
,
044601
(
2021
).
7.
K.
Kishida
,
J.
Shibutani
,
T.
Hatano
,
Y.
Yokoyama
,
N.
Katayama
,
Y.
Okamoto
,
Y.
Nakamura
,
H.
Kishida
,
H. S.
Suzuki
,
K.
Takehana
,
Y.
Imanaka
, and
K.
Takenaka
,
Appl. Phys. Lett.
121
,
121901
(
2022
).
8.
S.
Minomura
and
H.
Nagasaki
,
J. Phys. Soc. Jpn.
19
,
131
(
1964
).
9.
J. A.
Kuszyk
and
R. C.
Bradt
,
J. Am. Ceram. Soc.
56
,
420
(
1973
).
10.
R.
Benavente
,
M. D.
Salvador
,
A.
Martínez-Amesti
,
A.
Fernández
, and
A.
Borrell
,
Mater. Sci. Eng. A
651
,
668
(
2016
).
11.
N.
Katayama
,
K.
Otsuka
,
M.
Mitamura
,
Y.
Yokoyama
,
Y.
Okamoto
, and
K.
Takenaka
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
181902
(
2018
).
12.
J. B.
Wachtman
, Jr.
,
T. G.
Scuderi
, and
G. W.
Cleek
,
J. Am. Ceram. Soc
45
,
319
(
1962
).
13.
T.
Kawakubo
and
T.
Nakagawa
,
J. Phys. Soc. Jpn.
19
(
4
),
517
(
1964
).
14.
E.
Freeman
,
G.
Stone
,
N.
Shukla
,
H. J.
Paik
,
J. A.
Moyer
,
Z. H.
Cai
,
H. D.
Wen
,
R.
Engel-Herbert
,
D. G.
Schlom
,
V.
Gopalan
, and
S.
Datta
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
263109
(
2013
).
15.
S.
Singh
,
G.
Horrocks
,
P. M.
Marley
,
Z. Z.
Shi
,
S.
Banerjee
, and
G.
Sambandamurthy
,
Phys. Rev. B
92
,
155121
(
2015
).
16.
D. K.
Manousou
,
S.
Gardelis
,
M.
Calamiotou
,
V.
Likodimos
, and
E.
Syskakis
,
J. Appl. Phys.
130
,
045107
(
2021
).
17.
K.
Takenaka
,
Front. Chem.
6
,
267
(
2018
).
18.
R.
Okazaki
,
Y.
Nishina
,
Y.
Yasui
,
F.
Nakamura
,
T.
Suzuki
, and
I.
Terasaki
,
J. Phys. Soc. Jpn.
82
,
103702
(
2013
).
19.
H. T.
Kim
,
B. J.
Kim
,
S.
Choi
,
B. G.
Chae
,
Y. W.
Lee
,
T.
Driscoll
,
M. M.
Qazilbash
, and
D. N.
Basov
,
J. Appl. Phys.
107
,
023702
(
2010
).
20.
L.
Pellegrino
,
N.
Manca
,
T.
Kanki
,
H.
Tanaka
,
M.
Biasotti
,
E.
Bellingeri
,
A. S.
Siri
, and
D.
Marré
,
Adv. Mater.
24
,
2929
(
2012
).
21.
M.
Nakano
,
K.
Shibuya
,
D.
Okuyama
,
T.
Hatano
,
S.
Ono
,
M.
Kawasaki
,
Y.
Iwasa
, and
Y.
Tokura
,
Nature
487
,
459
(
2012
).
22.
A.
Zimmers
,
L.
Aigouy
,
M.
Mortier
,
A.
Sharoni
,
S. M.
Wang
,
K. G.
West
,
J. G.
Ramirez
, and
I. K.
Schuller
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
056601
(
2013
).
23.
S.
Kumar
,
M. D.
Pickett
,
J. P.
Strachan
,
G.
Gibson
,
Y.
Nishi
, and
R. S.
Williams
,
Adv. Mater.
25
,
6128
(
2013
).
24.
D.
Matsunami
and
A.
Fujita
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
042901
(
2015
).
25.
J.
Jeong
,
N. B.
Aetukuri
,
D.
Passarello
,
S. D.
Conradson
,
M. G.
Samant
, and
S. S. P.
Parkin
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
112
(
4
),
1013
(
2015
).
26.
J.
Jian
,
X. J.
Wang
,
S.
Misra
,
X.
Sun
,
Z. M.
Qi
,
X. Y.
Gao
,
J. N.
Sun
,
A.
Donohue
,
D. G.
Lin
,
V.
Pol
,
J.
Youngblood
,
H.
Wang
,
L. G.
Li
,
J. J.
Huang
, and
H. Y.
Wang
,
Adv. Funct. Mater.
29
,
1903690
(
2019
).
27.
A. G.
Shabalin
,
J.
del Valle
,
N.
Hua
,
M. J.
Cherukara
,
M. V.
Holt
,
I. K.
Schuller
, and
O. G.
Shpyrko
,
Small
16
,
2005439
(
2020
).
28.
J.
del Valle
,
N. M.
Vargas
,
R.
Rocco
,
P.
Salev
,
Y.
Kalcheim
,
M.
Lee
,
C.
Adda
,
P.
Lapa
,
P. Y.
Wang
,
L.
Fratino
,
M. J.
Rozenberg
, and
I. K.
Schuller
,
Science
373
,
907
(
2021
).
29.
F.
Nakamura
,
M.
Sakaki
,
Y.
Yamanaka
,
S.
Tamaru
,
T.
Suzuki
, and
Y.
Maeno
,
Sci. Rep.
3
,
2536
(
2013
).
30.
K.
Takenaka
,
D.
Asai
,
R.
Kaizu
,
Y.
Mizuno
,
Y.
Yokoyama
,
Y.
Okamoto
,
N.
Katayama
,
H. S.
Suzuki
, and
Y.
Imanaka
,
Sci. Rep.
9
,
122
(
2019
).
31.
M.
Matoba
,
S.
Anzai
, and
A.
Fujimori
,
J. Phys. Soc. Jpn.
60
,
4230
(
1991
).
32.
T.
Kanematsu
,
Y.
Okamoto
, and
K.
Takenaka
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
142404
(
2021
).
33.
Y.
Kubota
,
Y.
Okamoto
,
T.
Kanematsu
,
T.
Yajima
,
D.
Hirai
, and
K.
Takenaka
,
Appl. Phys. Lett.
122
,
042404
(
2023
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.