Значения D33 в пьезоэлектрических кристаллах: Последствия для практического применения
1 Введение
Пьезоэлектрические материалы могут генерировать электрическое поле при деформации под действием внешней силы, а деформация происходит при приложении электрического поля, что реализует взаимное преобразование механической энергии и электрической энергии в процессе работы, и, таким образом, имеет широкий спектр применения в электронном оборудовании и оптоэлектронных областях. Для пьезоэлектрических материалов пьезоэлектрическая постоянная является наиболее распространенным и интуитивно понятным выражением характеристики, которая отражает материал для механического напряжения или электрического поля и направление генерируемого электрического поля или деформации величины отношения. Одним из наиболее часто используемых значений характеристики является величина d33, которая будет рассмотрена в данной статье с точки зрения ее связи со свойствами и применением различных пьезоэлектрических кристаллов.
Рис. 1 Кристаллы и пластины кварца
2 Обзор пьезоэлектрического эффекта
2.1 Пьезоэлектрические кристаллы и пьезоэлектрический эффект
Пьезоэлектрические кристаллы - это кристаллические материалы, обладающие пьезоэлектрическим эффектом. Пьезоэлектрический эффект - это физическое явление, возникающее при деформации некоторых материалов под действием внешних сил, что приводит к разделению зарядов внутри материала, создавая электрическое поле на обоих концах материала. И наоборот, когда к этим материалам прикладывается электрическое поле, материал подвергается механической деформации. Пьезоэлектрический эффект проявляется в основном в некоторых кристаллах без центросимметричной структуры, таких как титанат бария (BaTiO3), цирконат-титанат свинца (PZT) и кварц (SiO2).
2.2 Пьезоэлектрические константы
Пьезоэлектрические константы - это набор параметров, характеризующих способность пьезоэлектрического материала преобразовывать движение под действием механической нагрузки и электрического поля. Они являются ключевыми коэффициентами, связывающими электрические и механические величины, в частности, отражают механическую деформацию материала или распределение заряда под действием приложенного электрического поля или механического напряжения. Эти константы обычно обозначаются как dij, gij, eij и т. д., причем dij является наиболее распространенной.
1. Постоянная dij (постоянная деформации): используется для описания зависимости между деформацией, возникающей в материале под действием приложенного электрического поля, и напряженностью электрического поля. I и j обозначают направление приложенного электрического поля и направление создаваемой деформации.
2. Константа gij (постоянная напряжения) описывает связь между электрическим полем, создаваемым материалом под действием механического напряжения, и напряжением. I и j представляют собой направление приложенного механического напряжения и направление генерируемого электрического поля, соответственно.
3. Константа eij (константа напряжения-заряда) описывает связь между плотностью заряда, создаваемого пьезоэлектрическим материалом под действием механического напряжения, и напряжением. I и j обозначают направление приложенного напряжения и направление генерируемого заряда, соответственно.
2.3 Постоянная D33
Значение d33 представляет собой пропорциональность между деформацией, создаваемой материалом в направлении поляризации (обычно 3-направленном), и напряженностью приложенного электрического поля, когда электрическое поле прикладывается к материалу в этом направлении. Более высокое значение d33 означает, что материал может генерировать большую механическую деформацию при приложении электрического поля или более сильное электрическое поле при приложении механического напряжения. Это указывает на то, что материал эффективен в преобразовании энергии и может более эффективно преобразовывать электрическую энергию в механическую или механическую энергию в электрическую.
Величина d33 напрямую влияет на характеристики пьезоэлектрического материала и, соответственно, на эффективность его применения. В пьезоэлектрических датчиках, чем выше значение d33, тем выше чувствительность и отзывчивость материала, так как датчик, получающий внешнее механическое напряжение или давление, может производить более очевидный электрический сигнал. В пьезоэлектрических приводах материалы с более высокими значениями d33 могут генерировать большие напряжения или смещения при приложении электрического поля, что делает их подходящими для приложений, требующих более точного управления и высокой выходной мощности. В пьезоэлектрических сборщиках энергии материалы с высокими значениями d33 могут более эффективно преобразовывать механическую энергию окружающей среды в электрическую, повышая эффективность использования энергии.
3 Факторы, влияющие на значение D33
3.1 Кристаллическая структура
Симметрия и константа решетки кристалла оказывают важное влияние на значение d33. Кристаллы с низкой симметрией (например, моноклинные или триклинные) обычно имеют более высокие пьезоэлектрические коэффициенты, поскольку они допускают большее искажение решетки. Большие постоянные решетки, как правило, подразумевают большее деформируемое пространство, что может улучшить пьезоэлектрические свойства.
Рис. 2 Кристаллы с пьезоэлектрическими свойствами имеют более низкую симметрию
3.2 Состав материала
Допирование различных элементов в пьезоэлектрических материалах может существенно влиять на значение d33. Например, в PZT пьезоэлектрические свойства могут быть оптимизированы путем изменения соотношения титана и циркония. Кроме того, стехиометрическое соотношение в материале влияет на значение d33. Отклонение от идеального стехиометрического соотношения может привести к появлению кристаллических дефектов, влияющих на пьезоэлектрические свойства.
3.3 Обработка
Температура и время спекания пьезоэлектрических керамических материалов влияют на их микроструктуру и размер зерна, что, в свою очередь, влияет на значение d33. Правильные условия спекания позволяют оптимизировать размер зерна и уменьшить дефекты границ зерен. Поляризационная обработка является ключевым шагом для улучшения пьезоэлектрических свойств. При приложении электрического поля при высоких температурах диполи внутри материала ориентируются в одном направлении, тем самым улучшая значение d33.
3.4 Микроструктура
Размер зерна оказывает значительное влияние на величину d33. В целом, промежуточный размер зерна (микронный уровень) благоприятен для улучшения пьезоэлектрических свойств, в то время как слишком большой или слишком маленький размер зерна приводит к уменьшению значения d33. Дефекты границ зерен влияют на пьезоэлектрические свойства, и уменьшение дефектов границ зерен помогает улучшить значения d33. Концентрация напряжений и накопление заряда на границах зерен снижают пьезоэлектрические свойства.
3.5 Внешние условия
Температура оказывает значительное влияние на значение d33. Большинство пьезоэлектрических материалов проявляют оптимальные пьезоэлектрические свойства вблизи температуры Кюри, но значение d33 уменьшается при слишком высокой или слишком низкой температуре. Внешние механические напряжения и деформации также могут влиять на значение d33. В некоторых материалах правильная предварительная деформация может улучшить пьезоэлектрические свойства, но слишком сильное напряжение может привести к растрескиванию или разрушению материала.
3.6 Ферроэлектричество материалов
Ферроэлектрическая доменная структура пьезоэлектрического материала оказывает прямое влияние на значение d33. Большая подвижность доменных стенок улучшает пьезоэлектрический отклик материала. Соотношение между направлением поляризации и направлением напряжения материала также влияет на значение d33, и наилучший пьезоэлектрический отклик обычно достигается, когда направление поляризации совпадает с направлением напряжения.
Рис. 3 Схема расположения электрических диполей и кривые отклика электроосаждения при ферроэлектрических фазовых переходах
3.7 Электрическое поле и частота
Сила и направление приложенного электрического поля оказывают значительное влияние на величину d33. Соответствующее электрическое поле может усилить пьезоэлектрический отклик материала. Частота приложенного электрического поля также влияет на значение d33. Некоторые материалы демонстрируют резонансное усиление пьезоэлектрических свойств на определенных частотах.
4 Свойства и применение распространенных пьезоэлектрических материалов
4.1 Кварц
Кварц (SiO2) - это пьезоэлектрический материал природного происхождения, широко используемый в различных электронных и оптических устройствах. Он представляет собой гексагональную кристаллическую систему с высокой симметрией, и его пьезоэлектрические свойства зависят от ориентации кристалла и направления напряжения. Кварц обычно имеет значение d33 около 2 - 3 пК/Н, что является относительно низким показателем. Несмотря на относительно низкое значение пьезоэлектрической постоянной d33 кварца, его уникальные физические свойства и отличная стабильность делают его незаменимым в определенных областях.
Кварц обладает отличной физической и химической стабильностью и способен сохранять стабильные пьезоэлектрические свойства при различных условиях окружающей среды. Кроме того, высококачественный фактор кварца позволяет ему превосходить другие материалы в осцилляторах и резонаторах, обеспечивая более высокую стабильность частоты и меньшие потери энергии. Низкотемпературный коэффициент кварца обеспечивает стабильность частоты в широком диапазоне температур, что является важным преимуществом для высокоточных приложений. Благодаря этим свойствам кварц широко используется, даже несмотря на относительно низкое значение d33.
Кварцевые кристаллы широко используются в осцилляторах и резонаторах электронных устройств для обеспечения стабильной частоты. Высококачественный коэффициент и низкий температурный коэффициент кварца обеспечивают стабильность частоты и низкие потери в течение длительных периодов времени. Кварц также используется в пьезоэлектрических датчиках для измерения силы, давления и ускорения. Кварцевые датчики отличаются высокой точностью и долговременной стабильностью, что делает их пригодными для высокоточных измерений и долгосрочного мониторинга. Кварц также используется в оптических модуляторах и волоконно-оптических устройствах связи. Высокая прозрачность и низкое поглощение кварца обеспечивают ему широкое применение в оптике, особенно в лазерной и волоконно-оптической связи.
Рис. 4 Кольца для кварцевых пластин
4.2 Титанат бария
Титанат бария (BaTiO3) - распространенный пьезоэлектрический керамический материал, который привлек большое внимание во многих областях применения благодаря своим превосходным пьезоэлектрическим свойствам и высоким значениям d33. Титанат бария имеет структуру халькогенида (ABO3), и эта структура демонстрирует хорошие пьезоэлектрические и ферроэлектрические свойства в определенном диапазоне температур. Значение d33 для титаната бария обычно составляет около 100 - 200 пК/Н. Это относительно высокое значение. Это относительно высокое значение указывает на то, что титанат бария способен создавать значительную механическую деформацию при приложении электрического поля.
Титанат бария с высоким значением d33 может значительно повысить эффективность преобразования материала в электродвигатель. Титанат бария обладает ферроэлектричеством в определенном температурном диапазоне, что позволяет ему сохранять стабильные пьезоэлектрические свойства в широком диапазоне температур. Материалы из титаната бария обладают превосходной химической стабильностью и механической прочностью, что делает их пригодными для длительного использования в жестких условиях. Керамические материалы из титаната бария легко поддаются обработке и формовке, подходят для массового производства и широко используются в промышленности.
Благодаря высокому значению d33 и отличным пьезоэлектрическим свойствам титанат бария широко используется в различных областях. Титанат бария используется для производства датчиков давления, датчиков ускорения и датчиков вибрации. Высокое значение d33 титаната бария позволяет этим датчикам чувствительно определять механические напряжения и вибрации, обеспечивая чувствительность и высокое разрешение измерений. Титанат бария также используется для производства прецизионных приводов, таких как микроприводы смещения и ультразвуковые преобразователи, способные генерировать большие механические деформации при приложении электрического поля, обеспечивая точное управление и высокую выходную мощность. Благодаря своим свойствам титанат бария широко используется в энергоуловителях для преобразования механической энергии (например, вибрации, давления) окружающей среды в электрическую. Повышенная эффективность преобразования энергии позволяет более эффективно собирать и хранить энергию в устройствах с автономным питанием и носимых устройствах. Высокая диэлектрическая проницаемость и хорошие пьезоэлектрические свойства позволяют конденсаторам на основе титаната бария работать в высокочастотных и высоковольтных приложениях, обеспечивая высокую плотность энергии и стабильность.
4.3 Цирконат-титанат свинца (PZT)
PZT обладает сильным пьезоэлектрическим эффектом, который приводит к значительному разделению зарядов под действием механического напряжения, создавая электрическое поле; и наоборот, он вызывает значительную механическую деформацию под действием приложенного электрического поля. PZT имеет халькогенидную структуру (ABO3), и его пьезоэлектрические и ферроэлектрические свойства можно регулировать, изменяя соотношение Zr и Ti.
Значенияd33 PZT обычно находятся в диапазоне 200 - 600 пК/Н, что делает PZT одним из материалов с высокими пьезоэлектрическими свойствами. Более высокие значения d33 означают, что PZT способен генерировать значительную механическую деформацию при приложении электрического поля в направлении его поляризации (обычно 3-направленном). Это говорит о том, что PZT очень эффективен в преобразовании энергии. Более высокое значение d33, которое имеет PZT, значительно повышает эффективность преобразования материала в электродвигатель, что позволяет использовать его в высокопроизводительных пьезоэлектрических приложениях. Регулируя соотношение циркония и титана, можно оптимизировать пьезоэлектрические и ферроэлектрические свойства PZT для различных применений. Материалы PZT обладают превосходной химической стабильностью и механической прочностью и могут использоваться в жестких условиях в течение длительного времени. PZT-керамика легко поддается обработке и формовке, что делает ее пригодной для крупномасштабного производства и широко используется в промышленности.
Рис. 5 Керамический лист из цирконата-титаната свинца
4.4 Оксид цинка (ZnO)
Оксид цинка (ZnO ) - это полупроводниковый материал с отличными пьезоэлектрическими свойствами, его значение d33 обычно находится в диапазоне 5-12 pC/N. Хотя ZnO имеет более высокое значение d33, чем ZnO, он имеет более низкое значение d33, чем ZnO. Хотя значение d33 ZnO относительно невелико по сравнению с обычными пьезоэлектрическими материалами, такими как цирконат-титанат свинца (PZT) и титанат бария (BaTiO3), его уникальные свойства делают его перспективным для широкого спектра применений во многих областях. Оксид цинка имеет гексагональную фибриллированную структуру цинкита, которая придает ему отличные пьезоэлектрические свойства и высокие коэффициенты электромеханической связи. Оксид цинка способен генерировать значительную механическую деформацию при приложении электрического поля в направлении его поляризации (обычно в направлении оси c), что не так сильно, как у некоторых высокоэффективных пьезоэлектрических керамик, но достаточно для некоторых конкретных применений.
Пьезоэлектрические свойства оксида цинка позволяют использовать его в таких областях, как наногенераторы, пьезоэлектрические датчики и устройства поверхностных акустических волн. В наногенераторах массивы нанопроводов ZnO могут эффективно преобразовывать механическую энергию (например, вибрацию и сжатие) в электрическую. Несмотря на низкие значения d33, эффективность сбора энергии может быть значительно повышена за счет оптимизации наноструктуры и дизайна массивов. В пьезоэлектрических датчиках высокая чувствительность и хорошая частотная характеристика оксида цинка делают его пригодным для обнаружения небольших механических напряжений и изменений давления. Кроме того, оксид цинка широко используется в устройствах для поверхностных акустических волн, где его превосходные пьезоэлектрические и полупроводниковые свойства позволяют осуществлять высокопроизводительную обработку сигналов акустических волн.
К достоинствам оксида цинка также относятся его хорошая химическая стабильность и биосовместимость, что дает ему большой потенциал в биомедицинской области. Например, нанопроволочные сенсоры на основе оксида цинка можно использовать для обнаружения биомолекул и изучения клеточной механики, сочетая их пьезоэлектрические свойства с полупроводниковыми характеристиками для высокочувствительного и селективного обнаружения. Применение оксида цинка также расширяется в области экологического зондирования и сбора энергии. Несмотря на относительно низкое значение d33, универсальность и настраиваемость оксида цинка делают его ценным пьезоэлектрическим материалом для различных применений.
Рис. 6 Полупроводниковый кристалл оксида цинка
4.5 Ниобат лития (LiNbO₃)
Ниобат лития (LiNbO3) - это ферроэлектрический материал со значительными пьезоэлектрическими свойствами, значения d33 которого обычно находятся в диапазоне 6-20 pC/N. Хотя значения d33 LiNbO3 не столь высоки, как у некоторых высокоэффективных пьезоэлектрических керамик (например, титаната цирконата свинца), его уникальные физические свойства делают его важным для применения в оптоэлектронных и акустических устройствах. Ниобат лития имеет структуру тройной кристаллической системы, что придает ему превосходные пьезоэлектрические и оптические свойства. Ниобат лития способен генерировать значительную механическую деформацию при приложении электрического поля в направлении поляризации, обычно в направлении оси c.
Пьезоэлектрические свойства ниобата лития позволяют использовать его в оптических модуляторах, устройствах поверхностных акустических волн и нелинейно-оптических устройствах. В оптических модуляторах ниобат лития может реализовать высокоскоростную и точную модуляцию оптического сигнала благодаря высокому электрооптическому коэффициенту и хорошим пьезоэлектрическим свойствам; в устройствах поверхностных акустических волн ниобат лития использует высокую скорость распространения акустических волн и пьезоэлектрические свойства для реализации высокоэффективной обработки и передачи сигналов акустических волн, что широко используется в беспроводной связи и фильтрации сигналов. Кроме того, ниобат лития широко используется в нелинейно-оптических устройствах. Его превосходные нелинейно-оптические свойства делают его идеальным материалом для преобразования частоты и оптических параметрических осцилляторов.
К преимуществам ниобата лития также относятся его высокая механическая прочность, химическая стабильность и широкое окно прозрачности, что позволяет ему сохранять хорошие характеристики в широком диапазоне жестких условий эксплуатации. Это дает ниобату лития большой потенциал для аэрокосмических, военных и промышленных применений. Например, в аэрокосмической отрасли датчики из ниобата лития могут использоваться для высокоточного определения силы и давления, а в военной - оптические и пьезоэлектрические свойства ниобата лития могут применяться в современных средствах оптико-электронного противодействия и связи. В промышленности высокотемпературная стабильность и радиационная стойкость ниобата лития делают его пригодным для использования в контрольно-измерительных приборах в жестких условиях эксплуатации. Хотя ниобат лития имеет относительно низкое значение D33, его универсальность и отличные оптоэлектронные свойства делают его ценным пьезоэлектрическим материалом в различных областях применения.
Рис. 7 Кристаллы LiNbO3
4.6 Танталат лития (LiTaO₃)
Танталат лития (LiTaO3) является важным пьезоэлектрическим материалом со значениями d33 обычно в диапазоне 5-18 pC/N. Значения d33 LiTaO3 находятся в диапазоне 5-18 pC/N. Хотя значение d33 LiTaO3 несколько ниже, чем у некоторых высокоэффективных пьезоэлектрических керамик (например, титаната цирконата свинца), его уникальные физико-химические свойства позволяют широко использовать его в оптоэлектронных и акустических устройствах. Танталат лития имеет структуру тройной кристаллической системы, что придает ему отличные пьезоэлектрические и оптические свойства. Когда электрическое поле прикладывается в направлении его поляризации (обычно в направлении оси c), танталат лития способен создавать значительную механическую деформацию. Хотя значения d33 относительно невелики, они достаточны для многих оптоэлектронных и акустоэлектронных применений.
Пьезоэлектрические свойства танталата лития позволяют использовать его в устройствах поверхностных акустических волн, оптических модуляторах и нелинейно-оптических устройствах. В устройствах поверхностных акустических волн танталат лития использует высокую скорость распространения акустических волн и хорошие пьезоэлектрические свойства для достижения высокоэффективной обработки и передачи сигналов акустических волн, что широко используется в беспроводной связи и фильтрации сигналов; В оптических модуляторах танталат лития может обеспечить высокоскоростную и точную модуляцию оптического сигнала благодаря высокому электрооптическому коэффициенту и хорошим пьезоэлектрическим свойствам; кроме того, танталат лития также широко используется в нелинейно-оптических устройствах, а его отличные нелинейно-оптические свойства делают его идеальным материалом для преобразования частоты и оптических параметрических генераторов.
К преимуществам танталата лития также относятся его высокая механическая прочность, химическая стабильность и широкое окно прозрачности, что позволяет ему сохранять хорошие эксплуатационные характеристики в жестких условиях окружающей среды. Это дает танталату лития большой потенциал для использования в аэрокосмической, военной и промышленной сферах. Например, в аэрокосмической отрасли датчики на основе танталата лития могут использоваться для высокоточного определения силы и давления; в военной отрасли оптические и пьезоэлектрические свойства танталата лития могут применяться в современных средствах оптико-электронного противодействия и связи; а в промышленности высокотемпературная стабильность и устойчивость танталата лития к радиации позволяют использовать его в суровых условиях для оборудования мониторинга и управления. Несмотря на относительно низкое значение d33, универсальность и превосходные оптоэлектронные свойства танталата лития делают его ценным пьезоэлектрическим материалом в самых разных областях применения.
Рис. 8 Кристаллы LiTaO3
5 Заключение
Пьезоэлектрический эффект и связанные с ним константы (особенно значение d33) напрямую влияют на характеристики пьезоэлектрических материалов и определяют их эффективность и действенность в таких приложениях, как датчики, приводы и устройства для сбора энергии. Факторы, влияющие на значение d33, включают кристаллическую структуру, состав материала, обработку, микроструктуру, внешние условия, ферроэлектричность материала, а также приложенное электрическое поле и частоту, которые взаимодействуют различными способами, определяя конечные свойства пьезоэлектрических материалов.
Stanford Advanced Materials (SAM) стремится предоставить пьезоэлектрические материалы высочайшего уровня, которые максимально раскрывают потенциал значений d33, обеспечивая высокую производительность и надежность в различных практических приложениях.
Связанное чтение: