Valori D33 nei cristalli piezoelettrici: Implicazioni per le applicazioni pratiche
1 Introduzione
I materialipiezoelettrici sono in grado di generare un campo elettrico quando la deformazione è causata da una forza esterna e la deformazione si verifica quando viene applicato il campo elettrico, realizzando così la conversione reciproca di energia meccanica ed energia elettrica nel processo, con un'ampia gamma di applicazioni nelle apparecchiature elettroniche e nei campi optoelettronici. Per i materiali piezoelettrici, la costante piezoelettrica è l'espressione di prestazione più comune e intuitiva, che riflette il materiale per la sollecitazione meccanica o il campo elettrico e la direzione del campo elettrico generato o la deformazione della dimensione della relazione. Uno dei valori di caratterizzazione più comunemente utilizzati è il valore d33, che verrà discusso in questo articolo dal punto di vista della sua relazione con le proprietà e le applicazioni di vari cristalli piezoelettrici.
Fig. 1 Cristalli e wafer di quarzo
2 Panoramica dell'effetto piezoelettrico
2.1 Cristalli piezoelettrici ed effetto piezoelettrico
I cristalli piezoelettrici sono materiali cristallini che hanno un effetto piezoelettrico. L'effetto piezoelettrico è un fenomeno fisico che si verifica quando alcuni materiali vengono deformati da forze esterne, che producono una separazione di carica all'interno del materiale, generando così un campo elettrico alle due estremità del materiale. Al contrario, quando a questi materiali viene applicato un campo elettrico, il materiale subisce una deformazione meccanica. L'effetto piezoelettrico si riscontra principalmente in alcuni cristalli privi di struttura centrosimmetrica, come il titanato di bario (BaTiO3), il titanato di zirconio (PZT) e il quarzo (SiO2).
2.2 Costanti piezoelettriche
Le costanti piezoelettriche sono un insieme di parametri che caratterizzano la capacità di un materiale piezoelettrico di convertire un motore sotto sforzo meccanico e campo elettrico. Sono i coefficienti chiave che collegano le grandezze elettriche e meccaniche, riflettendo in particolare la deformazione meccanica o la distribuzione della carica di un materiale sotto un campo elettrico o una sollecitazione meccanica applicata. Queste costanti sono di solito indicate come dij, gij, eij, ecc.
1. costante dij (costante di deformazione): utilizzata per descrivere la relazione tra la deformazione prodotta dal materiale sotto l'azione di un campo elettrico applicato e l'intensità del campo elettrico. I e j rappresentano la direzione del campo elettrico applicato e la direzione della deformazione prodotta.
2. La costante gij (costante di sollecitazione) descrive la relazione tra il campo elettrico generato dal materiale sottoposto a sollecitazione meccanica e la sollecitazione. I e j rappresentano rispettivamente la direzione della sollecitazione meccanica applicata e la direzione del campo elettrico generato.
3. La costante eij (costante di carica) descrive la relazione tra la densità di carica generata dal materiale piezoelettrico sottoposto a sollecitazione meccanica e la sollecitazione. I e j rappresentano rispettivamente la direzione della sollecitazione applicata e la direzione della carica generata.
2.3 Costante D33
Il valore di d33 rappresenta la proporzionalità tra la deformazione prodotta dal materiale nella direzione di polarizzazione (solitamente la direzione 3) e l'intensità del campo elettrico applicato quando il campo elettrico è applicato al materiale in quella direzione. Un valore d33 più alto significa che il materiale può generare una maggiore deformazione meccanica quando viene applicato un campo elettrico o un campo elettrico più forte quando viene applicata una sollecitazione meccanica. Ciò indica che il materiale è efficiente nella conversione del motore e può convertire l'energia elettrica in energia meccanica o l'energia meccanica in energia elettrica in modo più efficiente.
L'entità del valore d33 ha un impatto diretto sulle prestazioni del materiale piezoelettrico e di conseguenza influisce sull'efficacia del materiale piezoelettrico nelle applicazioni. Nei sensori piezoelettrici, più alto è il valore d33, maggiore è la sensibilità e la reattività del materiale, in quanto il sensore ricevuto dalla sollecitazione meccanica o dalla pressione esterna può produrre un segnale elettrico più evidente. Negli attuatori piezoelettrici, i materiali con valori d33 più elevati possono generare maggiori sollecitazioni o spostamenti quando viene applicato un campo elettrico, rendendoli adatti ad applicazioni che richiedono un controllo di maggiore precisione e una potenza elevata. Negli accumulatori di energia piezoelettrici, i materiali con valori d33 elevati possono convertire in modo più efficiente l'energia meccanica dell'ambiente in energia elettrica, migliorando l'efficienza dell'utilizzo dell'energia.
3 Fattori che influenzano i valori D33
3.1 Struttura del cristallo
La simmetria e le costanti reticolari del cristallo hanno un'importante influenza sul valore d33. I cristalli a bassa simmetria (ad esempio, monoclinici o triclinici) hanno solitamente coefficienti piezoelettrici più elevati perché consentono una maggiore distorsione reticolare. Costanti reticolari più grandi tendono a implicare un maggiore spazio deformabile, che può migliorare le proprietà piezoelettriche.
Fig. 2 I cristalli con piezoelettricità hanno una simmetria inferiore
3.2 Composizione del materiale
Il drogaggio di diversi elementi nei materiali piezoelettrici può influenzare significativamente il valore d33. Ad esempio, nel PZT, le proprietà piezoelettriche possono essere ottimizzate regolando il rapporto tra titanio e zirconio. Inoltre, il rapporto stechiometrico del materiale influisce sul valore d33. Una deviazione dal rapporto stechiometrico ideale può portare a difetti cristallini, con conseguenti ripercussioni sulle proprietà piezoelettriche.
3.3 Lavorazione
La temperatura e il tempo di sinterizzazione dei materiali ceramici piezoelettrici influenzano la loro microstruttura e la dimensione dei grani, che a sua volta influisce sul valore d33. Condizioni di sinterizzazione adeguate possono ottimizzare la dimensione dei grani e ridurre i difetti dei bordi dei grani. Il trattamento di polarizzazione è un passo fondamentale per migliorare le proprietà piezoelettriche: applicando un campo elettrico ad alte temperature, i dipoli all'interno del materiale si orientano nella stessa direzione, migliorando così il valore d33.
3.4 Microstruttura
La dimensione dei grani ha un effetto significativo sul valore d33. In generale, una granulometria intermedia (livello di micron) è favorevole al miglioramento delle proprietà piezoelettriche, mentre una granulometria troppo grande o troppo piccola porta a una diminuzione dei valori d33. I difetti dei bordi dei grani influenzano le proprietà piezoelettriche e la loro riduzione contribuisce a migliorare i valori d33. La concentrazione di stress e l'accumulo di cariche ai bordi dei grani riducono le proprietà piezoelettriche.
3.5 Condizioni esterne
La temperatura ha un effetto significativo sul valore d33. La maggior parte dei materiali piezoelettrici presenta proprietà piezoelettriche ottimali in prossimità della temperatura di Curie, ma il valore d33 diminuisce a temperature troppo alte o troppo basse. Anche le sollecitazioni e le deformazioni meccaniche esterne possono influenzare i valori d33. In alcuni materiali, un'adeguata precompressione può migliorare le proprietà piezoelettriche, ma una sollecitazione eccessiva può portare alla fessurazione o alla degradazione del materiale.
3.6 Ferroelettricità dei materiali
La struttura del dominio ferroelettrico di un materiale piezoelettrico ha un effetto diretto sul valore d33. Un maggiore movimento delle pareti del dominio migliora la risposta piezoelettrica del materiale. Anche la relazione tra la direzione della polarizzazione e la direzione della sollecitazione del materiale influisce sul valore d33 e la migliore risposta piezoelettrica si ottiene di solito quando la direzione della polarizzazione coincide con la direzione della sollecitazione.
Fig. 3 Diagramma schematico della disposizione dei dipoli elettrici e delle curve di risposta all'elettrodeposizione nelle transizioni di fase ferroelettriche
3.7 Campo elettrico e frequenza
L'intensità e la direzione del campo elettrico applicato hanno un effetto significativo sul valore d33. Un campo elettrico appropriato può aumentare la risposta piezoelettrica di un materiale. Anche la frequenza del campo elettrico applicato influisce sul valore d33, con alcuni materiali che presentano proprietà piezoelettriche potenziate dalla risonanza a frequenze specifiche.
4 Proprietà e applicazioni dei materiali piezoelettrici più comuni
4.1 Quarzo
Ilquarzo (SiO2) è un materiale piezoelettrico naturale ampiamente utilizzato in vari dispositivi elettronici e ottici. È un sistema cristallino esagonale ad alta simmetria e le sue proprietà piezoelettriche dipendono dall'orientamento del cristallo e dalla direzione delle sollecitazioni. Il quarzo ha tipicamente valori di d33 intorno a 2 - 3 pC/N, un valore relativamente basso. Nonostante il valore relativamente basso della costante piezoelettrica d33 del quarzo, le sue proprietà fisiche uniche e l'eccellente stabilità lo rendono insostituibile in campi specifici.
Il quarzo ha un'eccellente stabilità fisica e chimica ed è in grado di mantenere stabili le proprietà piezoelettriche in diverse condizioni ambientali. Inoltre, il fattore di alta qualità del quarzo lo rende superiore ad altri materiali negli oscillatori e nei risonatori, garantendo una maggiore stabilità di frequenza e una minore perdita di energia. Il coefficiente di bassa temperatura del quarzo garantisce la stabilità della frequenza in un ampio intervallo di temperature, un vantaggio importante nelle applicazioni di alta precisione. Queste proprietà rendono il quarzo ampiamente utilizzato anche se ha un valore d33 relativamente basso.
I cristalli di quarzo sono ampiamente utilizzati negli oscillatori e nei risonatori dei dispositivi elettronici per fornire riferimenti di frequenza stabili. Il fattore di alta qualità e il coefficiente di bassa temperatura del quarzo garantiscono stabilità di frequenza e basse perdite per lunghi periodi. Il quarzo è utilizzato anche nei sensori piezoelettrici per la misurazione di forza, pressione e accelerazione. I sensori al quarzo eccellono per precisione e stabilità a lungo termine, rendendoli adatti a misure di alta precisione e a monitoraggi a lungo termine. Il quarzo è utilizzato anche nei modulatori ottici e nei dispositivi di comunicazione a fibra ottica. L'elevata trasparenza e il basso assorbimento del quarzo gli conferiscono importanti applicazioni nell'ottica, in particolare nelle comunicazioni laser e in fibra ottica.
Fig. 4 Anelli di wafer di quarzo
4.2 Titanato di bario
Iltitanato di bario (BaTiO3) è un comune materiale ceramico piezoelettrico che ha attirato molta attenzione in molte applicazioni grazie alle sue eccellenti proprietà piezoelettriche e agli elevati valori di d33. Il titanato di bario ha una struttura calcogenidica (ABO3), che presenta una buona piezoelettricità e ferroelettricità in uno specifico intervallo di temperatura. Il valore d33 per il titanato di bario si aggira in genere intorno ai 100-200 pC/N. Si tratta di un valore relativamente alto. Questo valore relativamente alto indica che il titanato di bario è in grado di produrre una significativa deformazione meccanica quando viene applicato un campo elettrico.
Il titanato di bario con un valore d33 elevato può migliorare significativamente l'efficienza di conversione del motore del materiale. Il titanato di bario presenta una ferroelettricità in uno specifico intervallo di temperatura, che gli consente di mantenere stabili le proprietà piezoelettriche in un ampio intervallo di temperature. I materiali in titanato di bario hanno un'eccellente stabilità chimica e resistenza meccanica, che li rende adatti a lunghi periodi di utilizzo in ambienti difficili. I materiali ceramici in titanato di bario sono facili da lavorare e da modellare, adatti alla produzione di massa e ampiamente utilizzati nei settori industriali.
Grazie all'elevato valore d33 e alle eccellenti proprietà piezoelettriche, il titanato di bario è ampiamente utilizzato in diversi campi. Il titanato di bario è utilizzato per produrre sensori di pressione, sensori di accelerazione e sensori di vibrazione. L'elevato valore d33 del titanato di bario consente a questi sensori di rilevare in modo sensibile le sollecitazioni meccaniche e le vibrazioni, fornendo misurazioni sensibili e ad alta risoluzione. Il titanato di bario è utilizzato anche per produrre attuatori di precisione, come gli attuatori di microspostamento e i trasduttori a ultrasuoni, in grado di generare grandi deformazioni meccaniche quando viene applicato un campo elettrico, consentendo un controllo preciso e un'uscita ad alta potenza. Le caratteristiche del titanato di bario lo rendono ampiamente utilizzato negli accumulatori di energia per convertire l'energia meccanica (ad esempio, vibrazioni e pressione) dell'ambiente in energia elettrica. Il miglioramento dell'efficienza di conversione dell'energia consente agli harvester di raccogliere e immagazzinare l'energia in modo più efficiente per i dispositivi autoalimentati e gli indossabili. L'elevata costante dielettrica e le buone proprietà piezoelettriche consentono ai condensatori di titanato di bario di eccellere nelle applicazioni ad alta frequenza e ad alta tensione, fornendo un'elevata densità di energia e stabilità.
4.3 Zirconato di piombo titanato (PZT)
IlPZT ha un forte effetto piezoelettrico, che produce una significativa separazione di carica sotto stress meccanico, creando un campo elettrico; viceversa, induce una significativa deformazione meccanica sotto un campo elettrico applicato. Il PZT ha una struttura di calcogenuro (ABO3) e le sue proprietà piezoelettriche e ferroelettriche possono essere regolate variando il rapporto tra Zr e Ti.
I valorid33 del PZT sono solitamente compresi nell'intervallo 200-600 pC/N, il che rende il PZT uno dei materiali con elevate proprietà piezoelettriche. I valori d33 più elevati implicano che il PZT è in grado di generare una significativa deformazione meccanica quando viene applicato un campo elettrico nella sua direzione di polarizzazione (di solito a 3 direzioni). Ciò indica che il PZT è molto efficiente nella conversione del motore. Il valore d33 più elevato del PZT ha migliorato significativamente l'efficienza di conversione del motore del materiale, consentendogli di eccellere nelle applicazioni piezoelettriche ad alte prestazioni. Regolando il rapporto tra zirconio e titanio, le proprietà piezoelettriche e ferroelettriche del PZT possono essere ottimizzate per diverse applicazioni. I materiali PZT hanno un'eccellente stabilità chimica e resistenza meccanica e possono essere utilizzati in ambienti difficili per lunghi periodi. Le ceramiche PZT sono facili da lavorare e da modellare, il che le rende adatte alla produzione su larga scala e sono ampiamente utilizzate nelle applicazioni industriali.
Fig. 5 Lastra ceramica di zirconato di piombo titanato
4.4 Ossido di zinco (ZnO)
L'ossido di zinco (ZnO) è un materiale semiconduttore con eccellenti proprietà piezoelettriche e il suo valore d33 è solitamente compreso nell'intervallo 5-12 pC/N. Sebbene l'ossido di zinco abbia un valore d33 superiore a quello dell'ossido di zinco, quest'ultimo ha un valore d33 inferiore a quello dell'ossido di zinco. Sebbene il valore d33 dello ZnO sia relativamente basso rispetto ai materiali piezoelettrici convenzionali come il titanato di zirconio di piombo (PZT) e il titanato di bario (BaTiO3), le sue proprietà uniche lo rendono promettente per una vasta gamma di applicazioni in molti campi. L'ossido di zinco ha una struttura esagonale fibrillata di zincite, una struttura che conferisce eccellenti proprietà piezoelettriche ed elevati coefficienti di accoppiamento elettromeccanico. L'ossido di zinco è in grado di generare una significativa deformazione meccanica quando viene applicato un campo elettrico nella direzione della sua polarizzazione (di solito nella direzione dell'asse c), che non è forte come quella di alcune ceramiche piezoelettriche ad alte prestazioni, ma è sufficiente per alcune applicazioni specifiche.
Le proprietà piezoelettriche dell'ossido di zinco lo rendono eccellente per l'uso in settori quali i nanogeneratori, i sensori piezoelettrici e i dispositivi a onde acustiche superficiali. Nei nanogeneratori, gli array di nanofili di ZnO possono convertire efficacemente l'energia meccanica (ad esempio, vibrazioni e compressione) in energia elettrica e, nonostante i loro bassi valori di d33, le efficienze di raccolta dell'energia possono essere significativamente migliorate attraverso l'ottimizzazione della nanostruttura e la progettazione degli array. Nei sensori piezoelettrici, l'elevata sensibilità e la buona risposta in frequenza dell'ossido di zinco lo rendono adatto a rilevare piccole sollecitazioni meccaniche e variazioni di pressione. Inoltre, l'ossido di zinco è ampiamente utilizzato nei dispositivi a onde acustiche di superficie, dove le sue eccellenti proprietà piezoelettriche e semiconduttrici consentono un'elaborazione del segnale a onde acustiche ad alte prestazioni.
Tra i punti di forza dell'ossido di zinco figurano anche la buona stabilità chimica e la biocompatibilità, che gli conferiscono un grande potenziale nel campo biomedico. Ad esempio, i sensori a nanofili di ossido di zinco possono essere utilizzati per il rilevamento di biomolecole e per studi di meccanica cellulare, combinando le loro proprietà piezoelettriche e le caratteristiche dei semiconduttori per consentire un rilevamento altamente sensibile e selettivo. Le applicazioni dell'ossido di zinco si stanno espandendo anche nei campi del rilevamento ambientale e della raccolta di energia. Nonostante il suo valore d33 relativamente basso, la versatilità e la sintonia dell'ossido di zinco lo rendono un materiale piezoelettrico prezioso per una varietà di applicazioni.
Fig. 6 Cristallo semiconduttore di ossido di zinco
4.5 Niobato di litio (LiNbO₃)
Il niobato di litio (LiNbO3) è un materiale ferroelettrico con notevoli proprietà piezoelettriche, con valori d33 tipicamente compresi nell'intervallo 6-20 pC/N. Sebbene i valori d33 del LiNbO3 non siano così elevati come quelli di alcune ceramiche piezoelettriche ad alte prestazioni (ad esempio, lo zirconato di piombo titanato), le sue proprietà fisiche uniche lo rendono importante per le applicazioni nei dispositivi optoelettronici e acustici. Il niobato di litio ha una struttura cristallina tripartita che gli conferisce eccellenti proprietà piezoelettriche e ottiche. Il niobato di litio è in grado di generare una significativa deformazione meccanica quando viene applicato un campo elettrico nella direzione della polarizzazione, di solito nella direzione dell'asse c.
Le proprietà piezoelettriche del niobato di litio gli consentono di eccellere nei modulatori ottici, nei dispositivi a onde acustiche di superficie e nei dispositivi ottici non lineari. Nei modulatori ottici, il niobato di litio può realizzare una modulazione del segnale ottico precisa e ad alta velocità grazie all'elevato coefficiente elettro-ottico e alle buone proprietà piezoelettriche; nei dispositivi a onde acustiche di superficie, il niobato di litio sfrutta l'elevata velocità di propagazione delle onde acustiche e le proprietà piezoelettriche per realizzare un'elaborazione e una trasmissione del segnale a onde acustiche altamente efficienti, ampiamente utilizzate nelle comunicazioni wireless e nel filtraggio dei segnali. Inoltre, il niobato di litio è ampiamente utilizzato anche nei dispositivi ottici non lineari. Le sue eccellenti proprietà ottiche non lineari lo rendono un materiale ideale per la conversione di frequenza e gli oscillatori ottici parametrici.
I vantaggi del niobato di litio comprendono anche l'elevata resistenza meccanica, la stabilità chimica e l'ampia finestra di trasparenza, che gli consentono di mantenere buone prestazioni in un'ampia gamma di ambienti difficili. Ciò conferisce al niobato di litio un grande potenziale per le applicazioni aerospaziali, militari e industriali. Nel settore aerospaziale, ad esempio, i sensori di niobato di litio possono essere utilizzati per il rilevamento di forza e pressione ad alta precisione; nel settore militare, le proprietà ottiche e piezoelettriche del niobato di litio possono essere utilizzate nelle contromisure optoelettroniche avanzate e nelle apparecchiature di comunicazione. Nelle applicazioni industriali, la stabilità alle alte temperature e la resistenza alle radiazioni del niobato di litio lo rendono adatto alle apparecchiature di monitoraggio e controllo in ambienti difficili. Sebbene il niobato di litio abbia un valore D33 relativamente basso, la sua versatilità e le sue eccellenti proprietà optoelettroniche lo rendono un materiale piezoelettrico prezioso in diverse applicazioni.
Fig. 7 Cristalli di LiNbO3
4.6 Tantalato di litio (LiTaO₃)
Il tantalato di litio (LiTaO3) è un importante materiale piezoelettrico con valori d33 tipicamente compresi nell'intervallo 5-18 pC/N. I valori d33 del LiTaO3 sono compresi nell'intervallo 5-18 pC/N. Sebbene il valore d33 del LiTaO3 sia leggermente inferiore a quello di alcune ceramiche piezoelettriche ad alte prestazioni (ad esempio, lo zirconato di piombo titanato), le sue proprietà fisiche e chimiche uniche lo rendono ampiamente utilizzato nei dispositivi optoelettronici e acustici. Il tantalato di litio ha una struttura cristallina tripartita che gli conferisce eccellenti proprietà piezoelettriche e ottiche. Quando viene applicato un campo elettrico nella sua direzione di polarizzazione (di solito la direzione dell'asse c), il tantalato di litio è in grado di generare una significativa deformazione meccanica. Sebbene i valori di d33 siano relativamente bassi, sono sufficienti per molte applicazioni optoelettroniche e acustoelettroniche.
Le proprietà piezoelettriche del tantalato di litio gli consentono di eccellere nei dispositivi a onde acustiche superficiali, nei modulatori ottici e nei dispositivi ottici non lineari. Nei dispositivi a onde acustiche di superficie, il tantalato di litio sfrutta l'elevata velocità di propagazione delle onde acustiche e le buone proprietà piezoelettriche per ottenere un'elaborazione e una trasmissione del segnale a onde acustiche altamente efficienti, ampiamente utilizzate nelle comunicazioni wireless e nel filtraggio dei segnali; nei modulatori ottici, il tantalato di litio può ottenere una modulazione del segnale ottico precisa e ad alta velocità grazie al suo elevato coefficiente elettro-ottico e alle buone proprietà piezoelettriche; inoltre, il tantalato di litio è anche ampiamente utilizzato nei dispositivi ottici non lineari e le sue eccellenti proprietà ottiche non lineari lo rendono un materiale ideale per la conversione di frequenza e gli oscillatori ottici parametrici.
I vantaggi del tantalato di litio comprendono anche l'elevata resistenza meccanica, la stabilità chimica e l'ampia finestra di trasparenza, che gli consentono di mantenere buone prestazioni in ambienti difficili. Ciò conferisce al tantalato di litio un grande potenziale di utilizzo nelle applicazioni aerospaziali, militari e industriali. Nel settore aerospaziale, ad esempio, i sensori di tantalato di litio possono essere utilizzati per il rilevamento di forza e pressione ad alta precisione; nel settore militare, le proprietà ottiche e piezoelettriche del tantalato di litio possono essere utilizzate nelle contromisure optoelettroniche avanzate e nelle apparecchiature di comunicazione; nelle applicazioni industriali, la stabilità alle alte temperature e la resistenza alle radiazioni del tantalato di litio lo rendono adatto all'uso in ambienti difficili per le apparecchiature di monitoraggio e controllo. Nonostante il suo valore d33 relativamente basso, la versatilità e le eccellenti proprietà optoelettroniche del tantalato di litio lo rendono un materiale piezoelettrico prezioso in diverse applicazioni.
Fig. 8 Cristalli di LiTaO3
5 Conclusione
L'effetto piezoelettrico e le costanti ad esso associate (in particolare il valore d33) influenzano direttamente le prestazioni dei materiali piezoelettrici e ne determinano l'efficienza e l'efficacia in applicazioni quali sensori, attuatori e accumulatori di energia. I fattori che influenzano il valore d33 includono la struttura cristallina, la composizione del materiale, la lavorazione, la microstruttura, le condizioni esterne, la ferroelettricità del materiale e il campo elettrico e la frequenza applicati, che lavorano insieme in vari modi per determinare le proprietà finali dei materiali piezoelettrici.
Stanford Advanced Materials (SAM) si impegna a fornire materiali piezoelettrici di alto livello che massimizzano il potenziale dei valori d33, garantendo prestazioni elevate e affidabilità in varie applicazioni pratiche.
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