Более пристальный взгляд на пьезоэлектрический кристалл
Введение
Пьезоэлектрические кристаллы - это класс кристаллических материалов, способных вызывать изменения в распределении заряда и генерировать отклик электрического поля под действием механического напряжения. Уникальные свойства этого материала делают его полезным во многих областях, особенно в сенсорных технологиях и преобразовании энергии. Основная особенность пьезоэлектрических кристаллов заключается в том, что они деформируются или перераспределяют заряд при приложении механического напряжения или электрического поля, обеспечивая эффективное преобразование электрической и механической энергии. С развитием технологий области применения пьезоэлектрических кристаллов расширяются. От "умных" материалов до технологий рекуперации энергии - их инновационный потенциал открывает новые возможности и решения для промышленности. Поэтому глубокое понимание свойств и областей применения пьезоэлектрических кристаллов необходимо для понимания направления развития современных технологий.
Что такое пьезоэлектрический кристалл?
Пьезоэлектрический кристалл - это нецентросимметричный кристалл. При воздействии механической силы он деформируется, вызывая относительное смещение заряженных точек плазмы. В результате на поверхности кристалла появляются положительные и отрицательные связанные заряды. Когда внешняя сила снимается, кристалл возвращается в незаряженное состояние. Это явление известно как пьезоэлектрический эффект.
Пьезоэлектрический кристалл имеет полярную ось с разностью потенциалов на обоих концах, что называется пьезоэлектричеством. Величина заряда, возникающего под действием силы, приложенной к кристаллу, прямо пропорциональна величине внешней силы. И наоборот, если к кристаллу приложить электрическое поле, он механически деформируется в определенном направлении; когда приложенное электрическое поле снимается, деформация исчезает. Это явление называется обратным пьезоэлектрическим эффектом, также известным как эффект электрострикции.
Кристалл (α-кварц) - хорошо известный пьезоэлектрический кристалл. К распространенным пьезоэлектрическим кристаллам относятся сфалерит, кальцит, турмалин, красный цинкит, GaAs, титанат бария и его производные структурные кристаллы, KH2PO4, NaKC4H4O6-4H2O (розеточная соль) и столовый сахар.
Рис. 1 Кристаллы природного кварца
Характеристики кристаллической структуры пьезоэлектрических кристаллов
Пьезоэлектрические кристаллы обычно имеют нецентросимметричную кристаллическую структуру. В эту категорию попадают такие распространенные пьезоэлектрические материалы, как кварц (SiO₂), титанат бария (BaTiO₃) и керамика PZT (титанат циркония свинца).
В нецентросимметричной кристаллической структуре электрические диполи (т.е. центры заряда) не гасят друг друга, поэтому весь кристалл обладает чистым электрическим дипольным моментом. В естественном состоянии электрические диполи (состоящие из центров положительного и отрицательного заряда) внутри пьезоэлектрического кристалла обычно распределены случайным образом и не проявляют макроскопической поляризации. С помощью поляризационной обработки (нагрев выше температуры Кюри, приложение сильного электрического поля и последующее охлаждение) электрические диполи могут быть перестроены в присутствии приложенного электрического поля, чтобы выровнять их в направлении электрического поля, таким образом придавая материалу постоянно поляризованное состояние.
Рис. 2 Кристаллическая структура кварца (SiO2)
Принципы пьезоэлектрических явлений
Когда к пьезоэлектрическому кристаллу прикладывается механическое напряжение (например, сжатие или растяжение), небольшие смещения электрических диполей внутри кристалла приводят к перераспределению центров заряда, создавая заряд на поверхности кристалла. Это распределение заряда создает разность потенциалов, которая может быть измерена и выражена в виде пьезоэлектрического напряжения. Этот процесс генерации заряда под действием давления является положительным пьезоэлектрическим эффектом.
Соответственно, когда к пьезоэлектрическому кристаллу прикладывается электрическое поле, электрические диполи внутри кристалла перестраиваются или вращаются в ответ на электрическое поле, что приводит к механической деформации кристалла. Эта деформация может привести к механическому движению, например, в пьезоэлектрическом приводе. Это явление называется обратным пьезоэлектрическим эффектом.
Рис. 3 Пьезоэлектрический эффект
В основном он обусловлен перестройкой электрических диполей и связью напряжения и электрического поля. Перестройка электрических диполей происходит в основном выше температуры Кюри, когда кристаллическая структура пьезоэлектрического материала позволяет электрическим диполям свободно вращаться. Когда прикладывается электрическое поле, электрические диполи выравниваются вдоль направления электрического поля. При охлаждении направление выравнивания электрических диполей фиксируется, в результате чего материал проявляет макроскопическую поляризацию. Эффект связи напряжения и электрического поля проявляется в том, что при приложении механического напряжения кристаллическая структура претерпевает незначительные изменения, изменяется относительное положение электрических диполей, что приводит к перераспределению центров заряда и возникновению электрических зарядов; при приложении электрического поля перегруппировка электрических диполей приводит к деформации кристаллической структуры и возникновению механических деформаций.
Поляризация пьезоэлектрических кристаллов
Что такое поляризация?
Поляризация пьезоэлектрических кристаллов - это выравнивание электрических диполей в пьезоэлектрическом материале в определенном направлении путем приложения сильного электрического поля. Этот процесс придает материалу способность приобретать пьезоэлектрический эффект и максимизировать свои пьезоэлектрические свойства.
Рис. 4 Поляризация керамики
Этапы поляризационной обработки
1. Подготовка материалов: Пьезоэлектрические материалы (например, титанат бария, керамика PZT и т.д.) подготавливаются до нужной формы и размера.
2. Нагрев: Нагрейте материал выше температуры Кюри. Температура Кюри - это температура, при которой материал переходит из сегнетоэлектрической фазы в цис-электрическую. При этой температуре электрические диполи в материале находятся в беспорядочно ориентированном состоянии.
3. Приложенное электрическое поле: Сильное электрическое поле (обычно несколько тысяч вольт на миллиметр) прикладывается к материалу при высокой температуре. Это электрическое поле заставляет электрические диполи внутри материала перестраиваться и выравниваться в направлении электрического поля.
4. Охлаждение: Материал охлаждается ниже температуры Кюри при сохранении электрического поля. В процессе охлаждения электрические диполи остаются выровненными вдоль направления электрического поля, в результате чего материал находится в постоянно поляризованном состоянии.
5. Снятие электрического поля: После охлаждения материала до комнатной температуры внешнее электрическое поле может быть снято, и тогда материал приобретает постоянные пьезоэлектрические свойства.
Принцип поляризационной обработки
Когда температура материала выше температуры Кюри, пьезоэлектрический материал находится в цис-фазе, и электрические диполи могут свободно вращаться и перестраиваться. В это время необходимо усилить электрическое поле, чтобы электрические диполи вдоль направления выравнивания электрического поля образовали единое направление поляризации. После того как желаемое направление поляризации достигнуто, температуру понижают, чтобы обеспечить охлаждение. Процесс охлаждения закрепляет выравнивание диполей таким образом, что они остаются поляризованными в отсутствие внешнего электрического поля.
Важность поляризационной обработки
Поляризационная обработка имеет решающее значение для работы пьезоэлектрических материалов. Неполяризованные материалы не проявляют значительных пьезоэлектрических эффектов, а пьезоэлектрические свойства (например, пьезоэлектрический коэффициент) поляризованных материалов значительно улучшаются, что позволяет им эффективно преобразовывать механическую и электрическую энергию. Именно благодаря поляризации пьезоэлектрические материалы достигают превосходных характеристик в таких областях применения, как датчики, приводы и электронные компоненты.
Распространенные пьезоэлектрические материалы и их применение
1. Кварц
Кварц - широко используемый природный пьезоэлектрический кристалл, благодаря своей стабильности и высокой производительности во многих областях. Его химический состав - гексагональная кристаллическая система диоксида кремния (SiO2), внешний вид - общий бесцветный прозрачный кристалл. Низкий коэффициент теплового расширения (обычный кварц имеет коэффициент теплового расширения около 0,5*10^-6/°C) и коэффициент качества (кварц имеет коэффициент качества около 115*1000) позволяют кварцу преобладать в высокочастотных генераторах и фильтрах даже с относительно низкими пьезоэлектрическими коэффициентами. Кварц обладает отличной химической и механической стабильностью и сохраняет свои пьезоэлектрические свойства в широком диапазоне температур.
Кристаллы кварца обычно получают как из природного минерала, так и синтетическим путем. Как природный минерал, кристаллы кварца относительно легко и недорого получить. Синтетический кварц часто используется для обеспечения высокой чистоты и требований к размерам. Резка и обработка кристаллов кварца могут точно контролироваться для обеспечения оптимальных характеристик. Различные направления резки влияют на пьезоэлектрические свойства кварца, например, AT cut и BT cut.
Кварцевые генераторы используются в электронных устройствах, таких как кварцевые часы, компьютеры и сотовые телефоны, для обеспечения точного времени. Фильтры из кварцевых кристаллов могут использоваться в устройствах беспроводной связи для обеспечения качества и стабильности передачи сигнала. Кварцевые кристаллы также используются в датчиках давления, акселерометрах и микрофонах для преобразования механических колебаний в электрические сигналы в различных устройствах промышленной автоматизации, аэрокосмической и аудиотехники.
Кварц применяется в устройствах на основе поверхностных акустических волн (ПАВ), включая ПАВ-фильтры и ПАВ-датчики для обработки сигналов и мониторинга окружающей среды. В оптическом оборудовании кристаллы кварца используются для изготовления оптических модуляторов, призм и линз. В ультразвуковом оборудовании ультразвуковые преобразователи на основе кварцевых кристаллов используются для медицинской диагностики и промышленных испытаний. В области метрологии и испытательного оборудования кристаллы кварца используются в качестве источников стандартной частоты в частотомерах и генераторах сигналов. Кварц занимает незаменимое место в современной технике и промышленности благодаря своей высокой стабильности, высокой точности и низкой стоимости.
Рис. 5 Кварцевые кристаллические фильтры
2 Титанат бария
Титанат бария (BaTiO3), обычно бесцветные или белые кристаллы, имеет халькогенидную структуру (с различными кристаллическими фазами при разных температурах, такими как тетрагональная, кубическая и гексагональная). Пьезоэлектрические свойства титаната бария обусловлены кристаллическим фазовым переходом и нарушением симметрии в его халькогенидной структуре при изменении температуры. Титанат бария сохраняет свои пьезоэлектрические свойства в широком диапазоне температур, что делает его пригодным для использования в различных условиях окружающей среды.
Высокие пьезоэлектрические константы титаната бария (d31 составляет около -80 x 10^-12 C/N, а d33 - около 190 x 10^-12 C/N) обеспечивают ему отличные характеристики во многих приложениях. Высокая диэлектрическая проницаемость титаната бария обеспечивает ему высокую емкость при использовании в конденсаторах. При комнатной температуре его естественная диэлектрическая проницаемость составляет около 1200.
В электронных устройствах титанат бария используется при производстве многослойных керамических конденсаторов (MLCC), которые обладают высокой емкостью и небольшими размерами и широко применяются в смартфонах, компьютерах и бытовой технике. В области датчиков титанат бария используется в производстве датчиков давления и датчиков ускорения, которые применяются в промышленной автоматизации, медицинском оборудовании и автомобильной электронике.
Титанат бария также используется в производстве пьезоэлектрических актуаторов, которые производят механическую деформацию под напряжением и применяются в системах точного позиционирования, микроэлектромеханических системах (MEMS) и оптической юстировке. Ультразвуковые преобразователи - еще одна важная область применения титаната бария, который широко используется в медицинской ультразвуковой диагностике, промышленном неразрушающем контроле и ультразвуковом очистительном оборудовании.
Титанат бария также используется в пьезоэлектрических фильтрах и резонаторах в системах беспроводной связи для обеспечения четкости и качества передачи сигнала. Кроме того, пьезоэлектрические свойства титаната бария используются для разработки пьезоэлектрических устройств сбора энергии, которые преобразуют механическую вибрацию или кинетическую энергию окружающей среды в электрическую энергию для питания маломощных устройств.
Титанат бария также находит применение в электроакустических преобразователях, таких как динамики и микрофоны, преобразующих электрические сигналы в звуковые волны или наоборот. Его применение в медицинских приборах включает в себя медицинские инструменты с пьезоэлектрическим приводом, такие как микронасосы и прецизионные системы доставки лекарств. Благодаря высокой пьезоэлектрической постоянной и хорошей стабильности титанат бария играет важную роль в современной электронике, связи, медицине и промышленной автоматизации.
Рис. 6 Многослойные керамические конденсаторы
3 Цирконат-титанат свинца (PZT)
Цирконат-титанат свинца (PZT) - очень важный и широко используемый пьезоэлектрический керамический материал. Химическая формула Pb(ZrₓTi₁₋ₓ)O₃, и структура PZT может быть изменена при различных соотношениях Zr/Ti, включая структуру типа халькоцита. PZT претерпевает фазовые переходы (например, из тетрагональной в кубическую фазу) при различных температурах, и эти переходы влияют на его пьезоэлектрические свойства.
В ультразвуковых устройствах PZT используется для изготовления преобразователей для медицинской ультразвуковой диагностики, промышленного неразрушающего контроля и подводных гидролокационных систем. В области датчиков пьезоэлектрический эффект PZT используется для изготовления датчиков давления и датчиков ускорения для применения в промышленной автоматизации, медицинских приборах, автомобильных системах безопасности и сейсмическом мониторинге.
Пьезоэлектрические актуаторы из PZT производят механические деформации под действием электрического поля и используются для точного позиционирования, оптической юстировки и управления тонкими движениями в печатных устройствах и микроскопах. Кроме того, материалы PZT используются в качестве пьезоэлектрических фильтров и резонаторов в системах беспроводной связи для обеспечения чистоты и качества передачи сигнала.
При сборе энергии PZT преобразует механическую энергию или энергию колебаний в окружающей среде в электрическую энергию для питания беспроводных сенсорных сетей и носимых устройств. PZT также используется для изготовления динамиков и микрофонов, преобразующих электрические сигналы в звуковые волны или наоборот. Благодаря высокой пьезоэлектрической постоянной и высокому коэффициенту электромеханической связи он играет важную роль в области современной электроники, связи, медицины и промышленной автоматизации.
Рис. 7 Пьезоэлектрический керамический лист из цирконата-титаната свинца
4 Оксид цинка (ZnO)
Оксид цинка имеет гексагональную вюртцитовую структуру, которая является нецентросимметричной структурой, что придает ему пьезоэлектрические свойства. Ионы Zn²⁺ и O²- в гексагональной вюртцитовой структуре генерируют электрический дипольный момент под действием напряжения, что приводит к пьезоэлектрическому эффекту. Этот материал обладает высокой пьезоэлектрической постоянной и хорошим коэффициентом электромеханической связи.
Оксид цинка (ZnO) как пьезоэлектрический кристалл находит применение в различных областях благодаря своей высокой пьезоэлектрической постоянной, высокой чувствительности и хорошей химической стабильности. В области датчиков ZnO используется для изготовления датчиков газа и датчиков давления, которые широко применяются в промышленной автоматизации и бытовой электронике.
В актуаторах оксид цинка используется в актуаторах микроэлектромеханических систем (MEMS) и акустических устройствах для точного позиционирования и воспроизведения звука с высокой точностью. Пьезоэлектрические свойства оксида цинка также используются для сбора энергии с помощью наногенераторов и пьезоэлектрических сборщиков энергии, которые преобразуют механическую энергию в электрическую для питания маломощных устройств.
Кроме того, оксид цинка используется в качестве прозрачного электродного материала в оптоэлектронных устройствах, светоизлучающих диодах (СИД) и фотодетекторах для повышения эффективности фотоэлектрического преобразования. Наноматериалы на основе оксида цинка также используются в биосенсорах для обнаружения биомолекулярной и клеточной активности, которые широко применяются в медицинской диагностике и биологических исследованиях. Превосходные пьезоэлектрические, оптоэлектронные и химические свойства оксида цинка делают его ценным материалом для современной электроники, коммуникаций, медицины и промышленной автоматизации.
Рис. 8 Варисторы на основе оксида цинка
5 Ниобат лития (LiNbO₃)
Ниобат лития (LiNbO₃) - важный пьезоэлектрический кристаллический материал, который широко используется во многих областях высоких технологий благодаря своим превосходным пьезоэлектрическим, электрооптическим, нелинейно-оптическим и акустооптическим свойствам. Ниобат лития имеет тетрагональную кристаллическую систему халькогенидной структуры, нецентральная симметрия этой структуры придает ему пьезоэлектрические и электрооптические свойства, а относительное смещение ионов лития и ниобия в решетке под действием напряжения приводит к смещению центров положительного и отрицательного заряда.
Ниобат лития обладает высокими пьезоэлектрическими константами и коэффициентами электромеханической связи, что делает его превосходным для многих применений. Ниобат лития (LiNbO₃) , являясь пьезоэлектрическим кристаллом, находит широкое применение в различных областях благодаря своим превосходным пьезоэлектрическим, электрооптическим, акустооптическим и нелинейно-оптическим свойствам.
Из ниобата лития изготавливают электрооптические модуляторы и волноводные устройства в оптических приборах, которые широко используются в оптической связи и интегральной оптике. В акустооптических устройствах ниобат лития используется в акустооптических модуляторах и акустооптических линиях задержки, которые применяются для модуляции и обработки световых пучков и радиочастотных сигналов.
В области датчиков ниобат лития широко используется в акселерометрах и датчиках давления, применяемых в аэрокосмической отрасли, автомобильных системах безопасности, сейсмическом мониторинге и промышленной автоматизации. Пьезоэлектрические фильтры и резонаторы из ниобата лития используются в системах беспроводной связи для выбора и управления частотами, обеспечивая чистоту и качество передачи сигнала.
В лазерных устройствах нелинейно-оптические свойства ниобата лития используются при производстве умножителей частоты и оптических параметрических генераторов, позволяющих модулировать частоту лазера и перестраивать длину волны. Кроме того, ниобат лития находит широкое применение в медицине и биотехнологиях, например, в медицинских ультразвуковых приборах и биосенсорах, обеспечивающих высокоточную ультразвуковую визуализацию и обнаружение биомолекул.
Высокая пьезоэлектрическая постоянная, превосходный электрооптический эффект и химическая стабильность делают ниобат лития ценным для современной электроники, связи, оптики, медицины и промышленной автоматизации.
Рис. 9 Кристаллическая структура ниобата лития
6 Танталат лития (LiTaO₃)
Танталат лития (LiTaO₃) является важным пьезоэлектрическим кристаллическим материалом, который широко используется во многих областях высоких технологий благодаря своим превосходным пьезоэлектрическим, электрооптическим, акустооптическим и нелинейно-оптическим свойствам. Танталат лития имеет структуру кальцита с трипартитной кристаллической системой, и эта нецентросимметричная структура придает ему пьезоэлектрические, электрооптические и нелинейно-оптические свойства. Танталат лития обладает высокой пьезоэлектрической постоянной и коэффициентом электромеханической связи, что позволяет эффективно преобразовывать механическую энергию в электрическую и наоборот.
Как пьезоэлектрический кристалл, танталат лития (LiTaO₃) находит широкое применение в различных областях благодаря своим превосходным пьезоэлектрическим, электрооптическим, акустооптическим и нелинейно-оптическим свойствам.
В оптических устройствахLiTaO₃ используется для производства электрооптических модуляторов и оптических волноводов, которые широко применяются в оптической связи и интегральной оптике. В акустооптических устройствах танталат лития используется в акустооптических модуляторах и акустооптических линиях задержки, которые применяются для модуляции и обработки световых пучков и радиочастотных сигналов.
Что касается датчиков, то акселерометры и датчики давления на основе танталата лития широко распространены в аэрокосмической промышленности, автомобильных системах безопасности, сейсмическом мониторинге и промышленной автоматизации. Пьезоэлектрические фильтры и резонаторы на его основе необходимы в системах беспроводной связи для выбора и управления частотами, обеспечивая тем самым чистоту и качество передачи сигнала.
Нелинейно-оптические свойства танталата лития играют важную роль в лазерных устройствах, особенно в производстве умножителей частоты и оптических параметрических осцилляторов. Эти устройства позволяют модулировать частоту лазера и перестраивать длину волны. Кроме того, танталат лития находит широкое применение в медицине и биотехнологиях, например, в медицинских ультразвуковых приборах и биосенсорах, обеспечивающих высокоточную ультразвуковую визуализацию и обнаружение биомолекул.
Прочная пьезоэлектрическая постоянная, превосходный электрооптический эффект и отличная химическая стабильность делают танталат лития незаменимым для современной электроники, связи, оптики, медицины и промышленной автоматизации.
Рис. 10 Кристалл танталата лития
7 Заключение
Пьезоэлектрические кристаллы благодаря своей особой микроструктуре обладают функцией взаимопревращения механической и электрической энергии. Открытие и применение пьезоэлектрических кристаллов, таких как кварц, ниобат лития и танталат лития, не только оказало глубокое влияние на направление современного научно-технического прогресса, но и продемонстрировало огромный потенциал материаловедения в решении реальных проблем.
С ростом спроса на новые свойства материалов дальнейшие инновации в технологии пьезоэлектрических кристаллов будут продолжать расширять границы человеческих технологий и приносить больше инноваций и прогресса нашему обществу. Компания Stanford Advanced Materials (SAM) находится на переднем крае создания высококачественных пьезоэлектрических материалов для удовлетворения этих растущих технологических потребностей.
Ссылки:
[1] Nogueira A E F , Campos B V R , Nascimento D C P J , et al.Piezoelectric temperature acoustic sensor of LiNbO3 crystal fibers operating at radio frequencies [J].Journal of Crystal Growth, 2024, 643127799-127799.
Связанное чтение:
