اطلاعاتی از مواد پیزوالکتریک

مقدمه و تاریخچه
کلمه ی پیزو از واژه ی یونانی piezein به معنای فشار، مشتق شده است . از این کلمه به عنوان یک پیشوند در مورد خاصیت پیزوالکتریک استفاده می شود.اولین اثبات قضیه و اثر پیزوالکتریک در سال 1880 توسط دو برادر با نام های Pierre Curie و Jacques Curie بود. اطلاعات این دو دانشمند رفتار بسیاری از کریستال ها مانند تورمالین ، کوارتز ، کانی شکر ، Rochelle salt(نمک راچل) ( تتراهیدرات ، جوهر پتاسیم ، سدیم ) را آشکار کرد .در سه دهه بعد، همکاری فراوانی در انجمن های علمی اروپا در زمینه پیزو الکتریسیته انجام شد و واژهای میدان پیزوالکتریسیته بوسیله آنها استفاده شد . البته کارهای انجام شده برروی رابطه ی میان الکترومکانیکی مختلط با کریستال های پیزو الکتریک در سال 1910 انجام شد و اطلاعات آن به صورت یک مرجع استاندارد است. به هر حال پیچیدگی علم مربوط به مواد پیزوالکتریک باعث شده که کاربردهای این مواد تا چند سال قبل رشد پیدا نکند . لانگوین ات آل در طی جنگ جهانی اول مبدل آلتراسونیک پیزوالکتریکی ساخت . موفقیت او باعث ایجاد موقعیت های استفاده از مواد پیزو الکتریک در کاربرد های زیر آبی شد.در سال 1925،Busch ، Schewer خاصیت پیزوالکتریک ، پتاسیم دی هیدروژن فسفات (KDP) را کشف کردند . خانواده پیزوالکتریک های دی هیدروژن فسفات اولین خانواده ی عمده از مواد پیزوالکتریک و فرو الکتریک بود که کشف شده بود. در طی جنگ جهانی دوم ، تحقیقات در زمینه ی مواد پیزوالکتریک بوسیله ی آمریکا ، شوروی سابق و ژاپن بسط داده شد . محدودیت های ساخت این مواد از تجاری شدن آنها جلوگیری می کرد امّا این مسئله نیز پس از کشف باریم تیتانات و سرب زیر کونات تیتانات (PZT) در دهه های 1940و1950 برطرف شد . این خانواده از مواد ،خاصیت دی الکتریک و پیزو الکتریک بسیارخوبی داشتند تا این تاریخ PZT یکی از مواد پیزوالکتریک پرکاربرد است .

اثر پيزوالكتريك

ذات اثر پيزوالكتريك به دوقطبي هاي الكتريكي لحظه اي در جامدات مربوط مي شود. سطح خارجي ممكن است در شبكه ي كريستالي با بار نامتقارن محيطي تحريك شده باشد.
يا ممكن است مستقيماً توسط گرو ههاي مولكولي حمل شود (به عنوان مثال در نيشكر). چگالي دوقطبي يا پلاريزاسيون به سادگي با نتيجه گيري از دوقطبي هاي لحظه اي در واحد حجم سلول واحد براي كريستال ها محاسبه م يشود. همچنان كه هر دوقطبي يك بردار است چگالي دوقطبي نيز بردار است (يك كميت برداري است). دوقطبي هاي نزديك هم در مناطقي به نام قلمرو ويس جهت گيري مي كنند. اين قلمروها معمولاً تصادفي جهت دار مي شوند اما مي توانند توسط فرآيند قطبي سازي (با قطبي سازي مغناطيسي متفاوت است) هم جهت شوند، فرآيندي كه يك ميدان الكتريكي قوي (معمولاً در دماهاي بالا) به جسم اعمال مي شود. تمام مواد پيزوالكتريك قطبي نمي شوند .نكته ي قطعي در مورد اثر پيزوالكتريك تغيير قطبش هنگام اعمال فشار مكانيكي است. كه ممكن است به علت ايجاد آرايش فضايي جديد دوقطبي ها يا به علت جهت گيري مولكول هاي قطبي لحظه اي تحت اثر نيروي خارجي باشد سپس خاصيت پيزوالكتريك در اثر تنوع در قدرت دوقطبي ها يا جهت آن ها يا هر دو به وجود آيد. اين اثر بستگي دارد به:
1 - جهت گيري دوقطبي ها درون كريستال
2- تقارن كريستال
3 - فشار مكانيكي اعمالي
تغيير در قطبش در تغيير چگالي سطحي بار در سطوح كريستالي ظاهر مي شود يعني تنوع ميدان الكتريكي در سطوح، چون كه واحد چگالي بار سطحي و قطبش يكسان است. اگرچه خاصيت پيزوالكتريك بر اثر تغيير در چگالي بار سطحي سبب نمي شود، اما به علت چگالي دو قطبي در سطح سبب مي شود به عنوان مثال اگر به يك سانتي متر مكعب كواتز 2كيلونيوتن نيرو وارد شود 12500 ولت اختلاف پتانسيل ايجاد مي كند.

اثر پيزوالكتريك مستقيم و معكوس

وقتي ماده پيزوالكتريكي تحت تأثير مكانيكي (به صورت انبساط يا انقباض) قرار گيرد، مقداري بار الكتريكي در سطح آن ظاهر مي شود. اين بار الكتريكي در اثر نامتقارن بودن سلول يكه واحد كريستال است كه به توليد ميدان الكتريكي و پتانسيل الكتريكي منجر مي شود. به اين اثر پيزوالكتريك مستقيم گويند. حال اگر در پي اعمال ميدان الكتريكي با مقادير گرانش مكانيكي و تغييرات مكانيكي در ساختار سراميك مواجه شويم به اين اثر پيزوالكتريك معكوس گويند.

ارتباط اثر پيزوالكتريك با ساختار مولكولي مواد

اثر پيزوالكتريك با ساختار مواد ارتباط دارد. وقتي مركز بارهاي مثبت ماده اندكي از مركز بارهاي منفي فاصله بگيرد، يك دو قطبي حاصل مي شود، اين پديده در موادي رخ مي دهد كه ساختارهاي بلوري آنها نامتقارن است. در برخي مواد با گشتاور دو قطبي دائمي روبرو مي شويم كه نتيجه اي از عدم تقارن ذاتي در ساختار بلوري است. ولي در مواد ديگر براي ايجاد گشتاور دو قطبي بايد كرنش مكانيكي پديد آورد. از سي و دو بلور، يك عدد از آنها فاقد مركز تقارن هستند. بيست عدد از آنها خاصيت پيزو الكتريك از خود بروز مي دهند و ده تاي ديگر براي نشان دادن گشتاور دو قطبي نياز به كرنش مكانيكي دارند. وقتي فاصله بين بارهاي مثبت و منفي بر اثر كرنش مكانيكي تغيير كند، ميزان الكتريكي ناشي از دو قطبي تغيير مي كند و بار روي الكترود تغيير مي كند. البته اين اثر در بلور ها و سراميك ها و تركيب هاي ديگر متفاوت است و هر كدام داراي ويژگي هاي خاص خود مي باشند.

وابستگی مواد پیزو الکتریک به دما
موادی که گشتاور دو قطبی دائمی دارند اثرات پیزو الکتریک (پیدایش بار الکتریکی بر اثر گرمایش یکنواخت) و فرو الکتریک (تغییر جهت دو قطبی بر اثر میزان الکتریکی) نیز از خود بروز می‌دهند. چون گشتاور دو قطبی دائمی ممکن است حداقل دو جهت داشته باشد واکنش های داخلی با ترکیب این جهت گیری متفاوت ممکن است به حداقل برسد. موادی که گشتار دو قطبی دائمی دارند معمولاً در دماهایی با ساختار تقارنی بالاتر که فاقد گشتاور دو قطبی دائمی است گذر می کنند. این دما را نقطه کوری می نامند . وقتی دما به طرف نقطه کوری افزایش می یابد، به شدت اثر پیزوالکتریک افزایش می یابد، اثر پیزو الکتریک در انواع بسیاری از مواد، از جمله تک بلورها ،سرامیک ها و بسپار ها و مواد مرکب دیده می شود. کوارتز یکی از متداول ترین مواد پیزو الکتریک تک بلور است و پایداری دمایی خوبی دارد. ثابت پیزو الکتریک آن 12 - ^10* 2.3 =d33 و ثابت جفت شدگی آن K=0,1 است.
در جدول زیر ضریب اثر پیزو الکتریسیته (d₃₃) چند ماده به صورت نمونه آورده شده است که در آن ضریب d₃₃ برحسب ^C/_N(کولن بر نیوتن) تعریف شده است و ارتباط بین مقداربارالکتریکی و تأثیر آن میزان بار بر نیروی بوجود آمده برحسب نیوتن می باشد و برعکس.

جدول 1-1 : ضریب اثر پیزو الکتریسیته (d₃₃) چند ماده

Material	d33(10-12 C/N)
Quartz	2.3
BaTiO3	90
PbTiO3	120
PZT	560
PZN-9PT	2500

PZTبرای ،d₃₃ = 560(10^-12C/N) بدین معناست که به ازای یک نیوتن فشار اعمال شده، 560 (10^-12) C بار الکتریکی تولید می شود.

انواع موادي كه اثرپيزوالكتريك دارند

الف) كريستال هاي طبيعي :
1-برلينيت : يك ماده معدني فسفات و كمياب است كه ساختاري همانند كوارتز (ALPO4) -1
دارد.
2 - نيشكر : كاني شكر مي تواند از خود خاصيت پيزو الكتريك بروز دهد.
3-كوارتز
4- نمك راچل
5- ياقوت زرد، زبرجد هندي
6- كهربا از گروه كاني ها
ب) كريستال هاي مصنوعي:
1- گاليوم اُرتوفسفات :كه به كريستال كوارتز آنالوگ نيز معرف است.
2- لانگاسيت: به كريستال كوارتز آنالوگ نيز معروف است.
ج) سراميك هاي مصنوعي :
1- باريوم تيتانيوم : كه اولين سراميك كشف شده با اثر پيزو الكتريك بود.
2- تيتانات سرب
3- تيتانات زيركونات سرب : كه بيشتر به pzt مشهور است.و يكي از سراميك هاي پركاربرد امروزي محسوب مي شود.
4- نيوبيت پتاسيم
5- نيوبيت ليتيوم
6-سديم تنگستات
7- سديم پتاسيم نيوبيت : بررسي دقيق تر نسبت به پيزو سراميك هاي سرب در سال 2004 منجر به كشف خواص سديم پتاسيم نيوبيت شد كه بسيار شبيه به pzt عمل میکند.
8- بيسموت فريت : اين نوع سراميك بهترين گزينه براي جايگزيني به جاي سراميك هاي سرب مي باشد.
9- سديم نيوبيت
پليمرها :
پلي وايني ليدين فلورايد (pvdf) مستندات خاصيت پيزو الكتريسيته در اين نوع پليمر چندين بار بيشتر از كواتز است.