Пьезоэлектричество

Электрический заряд, образующийся в некоторых твердых телах из-за механического напряжения.

Пьезоэлектрические весы, подаренные Пьером Кюри лорду Кельвину , Музей Хантериан , Глазго

Пьезоэлектричество ( / ˌ p iː z oʊ -, ˌ p iː t s oʊ -, p aɪ ˌ iː z oʊ -/ , США : / p i ˌ eɪ z oʊ -, p i ˌ eɪ t s oʊ -/ ) ^[1] — это электрический заряд , который накапливается в некоторых твердых материалах, таких как кристаллы , некоторые виды керамики и биологические вещества, такие как кости , ДНК и различные белки , в ответ на приложенное механическое напряжение . ^[2] Слово пьезоэлектричество означает электричество, возникающее в результате давления и скрытой теплоты . Оно происходит от древнегреческого πιέζω ( piézō )  «сжимать или давить» и ἤλεκτρον ( ḗlektron )  « янтарь » (древний источник статического электричества). ^{[3] [4]} Немецкая форма слова ( Piezoelektricität ) была придумана в 1881 году немецким физиком Вильгельмом Готлибом Ганкелем ; английское слово было придумано в 1883 году. ^{[5] [6]}

Пьезоэлектрический эффект является результатом линейного электромеханического взаимодействия между механическим и электрическим состояниями в кристаллических материалах без инверсионной симметрии . ^[7] Пьезоэлектрический эффект является обратимым процессом : материалы, демонстрирующие пьезоэлектрический эффект, также демонстрируют обратный пьезоэлектрический эффект, внутреннюю генерацию механической деформации в результате приложенного электрического поля . Например, кристаллы цирконата титаната свинца будут генерировать измеримое пьезоэлектричество, когда их статическая структура деформируется примерно на 0,1% от исходного размера. И наоборот, эти же кристаллы изменят примерно на 0,1% своего статического размера при приложении внешнего электрического поля. Обратный пьезоэлектрический эффект используется при создании ультразвуковых волн . ^[8]

Французские физики Жак и Пьер Кюри открыли пьезоэлектричество в 1880 году. ^[9] Пьезоэлектрический эффект использовался во многих полезных приложениях, включая производство и обнаружение звука, пьезоэлектрическую струйную печать , генерацию электричества высокого напряжения, в качестве тактового генератора в электронных устройствах, в микровесах , для управления ультразвуковым соплом и в сверхтонкой фокусировке оптических сборок. Он составляет основу для сканирующих зондовых микроскопов , которые разрешают изображения в масштабе атомов . Он используется в звукоснимателях некоторых гитар с электронным усилением и в качестве триггеров в большинстве современных электронных барабанов . ^{[10] [11]} Пьезоэлектрический эффект также находит повседневное применение, например, для генерации искр для зажигания газовых варочных и нагревательных приборов, горелок и зажигалок .

История

Открытие и ранние исследования

Пироэлектрический эффект , при котором материал генерирует электрический потенциал в ответ на изменение температуры, изучался Карлом Линнеем и Францем Эпинусом в середине XVIII века. Опираясь на эти знания, Рене Жюст Гаюи и Антуан Сезар Беккерель выдвинули гипотезу о связи между механическим напряжением и электрическим зарядом; однако эксперименты обоих оказались безрезультатными. ^[12]

Вид пьезокристалла в верхней части компенсатора Кюри в Музее Шотландии.

Первая демонстрация прямого пьезоэлектрического эффекта была в 1880 году братьями Пьером Кюри и Жаком Кюри . ^[13] Они объединили свои знания о пироэлектричестве с пониманием основных кристаллических структур, которые привели к возникновению пироэлектричества, чтобы предсказать поведение кристаллов, и продемонстрировали эффект, используя кристаллы турмалина , кварца , топаза , тростникового сахара и сегнетовой соли (тетрагидрат тартрата натрия и калия). Кварц и сегнетова соль проявили наибольшую пьезоэлектричество.

Пьезоэлектрический диск при деформации генерирует напряжение (изменение формы сильно преувеличено).

Однако Кюри не предсказали обратный пьезоэлектрический эффект. Обратный эффект был математически выведен из фундаментальных термодинамических принципов Габриэлем Липпманом в 1881 году. ^[14] Кюри немедленно подтвердили существование обратного эффекта, ^[15] и продолжили получать количественное доказательство полной обратимости электро-эласто-механических деформаций в пьезоэлектрических кристаллах.

В течение следующих нескольких десятилетий пьезоэлектричество оставалось чем-то вроде лабораторной диковинки, хотя оно было важным инструментом в открытии полония и радия Пьером и Марией Кюри в 1898 году. Было проделано больше работы по исследованию и определению кристаллических структур, которые демонстрировали пьезоэлектричество. Это достигло кульминации в 1910 году с публикацией Lehrbuch der Kristallphysik ( Учебник по физике кристаллов ) Вольдемара Фойгта [ ^16] , в котором были описаны 20 классов природных кристаллов, способных к пьезоэлектричеству, и строго определены пьезоэлектрические константы с использованием тензорного анализа .

Первая мировая война и межвоенные годы

Первым практическим применением пьезоэлектрических устройств был сонар , впервые разработанный во время Первой мировой войны . Превосходные характеристики пьезоэлектрических устройств, работающих на ультразвуковых частотах, вытеснили более ранний осциллятор Фессендена . Во Франции в 1917 году Поль Ланжевен и его коллеги разработали ультразвуковой детектор подводных лодок . ^[17] Детектор состоял из преобразователя , изготовленного из тонких кварцевых кристаллов, тщательно склеенных между двумя стальными пластинами, и гидрофона для обнаружения возвращенного эха . Излучая высокочастотный импульс из преобразователя и измеряя количество времени, необходимое для того, чтобы услышать эхо от звуковых волн, отражающихся от объекта, можно вычислить расстояние до этого объекта.

Использование пьезоэлектричества в сонаре и успех этого проекта вызвали интенсивный интерес к развитию пьезоэлектрических устройств. В течение следующих нескольких десятилетий были исследованы и разработаны новые пьезоэлектрические материалы и новые приложения для этих материалов.

Пьезоэлектрические устройства нашли применение во многих областях. Керамические картриджи для фонографов упростили конструкцию проигрывателя, стали дешевыми и точными, а также сделали проигрыватели пластинок более дешевыми в обслуживании и более простыми в сборке. Разработка ультразвукового преобразователя позволила легко измерять вязкость и упругость жидкостей и твердых тел, что привело к огромным успехам в исследовании материалов. Ультразвуковые рефлектометры временной области (которые посылают ультразвуковой импульс через материал и измеряют отражения от разрывов) могут находить дефекты внутри литых металлических и каменных объектов, повышая структурную безопасность.

Вторая мировая война и послевоенный период

Во время Второй мировой войны независимые исследовательские группы в США , СССР и Японии открыли новый класс синтетических материалов, называемых сегнетоэлектриками , которые демонстрировали пьезоэлектрические константы во много раз выше, чем у природных материалов. Это привело к интенсивным исследованиям по разработке титаната бария , а позднее цирконата титаната свинца с особыми свойствами для конкретных применений.

Один из важных примеров использования пьезоэлектрических кристаллов был разработан Bell Telephone Laboratories . После Первой мировой войны Фредерик Р. Лэк, работавший в инженерном отделе радиотелефонии, разработал кристалл «AT cut», который работал в широком диапазоне температур. Кристалл Лэка не нуждался в тяжелых аксессуарах, которые использовались в предыдущем кристалле, что облегчало его использование на самолетах. Эта разработка позволила военно-воздушным силам союзников проводить скоординированные массированные атаки с использованием авиационного радио.

Разработка пьезоэлектрических устройств и материалов в Соединенных Штатах была сохранена в компаниях, занимающихся разработкой, в основном из-за начала этой области во время войны, а также в интересах обеспечения прибыльных патентов. Новые материалы были разработаны первыми — кварцевые кристаллы были первым коммерчески используемым пьезоэлектрическим материалом, но ученые искали более высокопроизводительные материалы. Несмотря на достижения в области материалов и развитие производственных процессов, рынок Соединенных Штатов не рос так быстро, как рынок Японии. Без множества новых приложений рост пьезоэлектрической промышленности Соединенных Штатов пострадал.

Напротив, японские производители делились своей информацией, быстро преодолевая технические и производственные проблемы и создавая новые рынки. В Японии Иссак Кога разработал термостабильную огранку кристалла . Японские усилия в области исследования материалов создали пьезокерамические материалы, конкурентоспособные по сравнению с материалами США, но свободные от дорогостоящих патентных ограничений. Основные японские пьезоэлектрические разработки включали новые конструкции пьезокерамических фильтров для радио и телевизоров, пьезозуммеров и аудиопреобразователей, которые могут подключаться напрямую к электронным схемам, и пьезоэлектрический воспламенитель , который генерирует искры для небольших систем зажигания двигателей и газовых зажигалок, сжимая керамический диск. Ультразвуковые преобразователи, передающие звуковые волны по воздуху, существовали довольно давно, но впервые получили широкое коммерческое применение в ранних пультах дистанционного управления телевизорами. Эти преобразователи теперь устанавливаются на нескольких моделях автомобилей в качестве эхолокационного устройства, помогая водителю определять расстояние от автомобиля до любых объектов, которые могут оказаться на его пути.

Механизм

Пьезоэлектрическая пластина, используемая для преобразования аудиосигнала в звуковые волны

Природа пьезоэлектрического эффекта тесно связана с возникновением электрических дипольных моментов в твердых телах. Последние могут быть либо индуцированы для ионов на узлах кристаллической решетки с асимметричным зарядовым окружением (как в BaTiO ₃ и PZTs ), либо могут напрямую переноситься молекулярными группами (как в тростниковом сахаре ). Дипольная плотность или поляризация (размерность [Кл·м/м ³ ] ) может быть легко рассчитана для кристаллов путем суммирования дипольных моментов на объем кристаллографической элементарной ячейки . ^[18] Поскольку каждый диполь является вектором, дипольная плотность P является векторным полем . Диполи, расположенные рядом друг с другом, имеют тенденцию быть выровненными в областях, называемых доменами Вейсса. Домены обычно ориентированы случайным образом, но могут быть выровнены с помощью процесса поляризации (не то же самое, что магнитная поляризация ), процесса, при котором сильное электрическое поле прикладывается к материалу, обычно при повышенных температурах. Не все пьезоэлектрические материалы могут быть поляризованы. ^[19]

Решающее значение для пьезоэлектрического эффекта имеет изменение поляризации P при приложении механического напряжения . Это может быть вызвано либо реконфигурацией дипольно-индуцирующего окружения, либо переориентацией молекулярных дипольных моментов под влиянием внешнего напряжения. Пьезоэлектричество может затем проявиться в изменении силы поляризации, ее направления или и того, и другого, с деталями, зависящими от: 1. ориентации P внутри кристалла; 2. симметрии кристалла ; и 3. приложенного механического напряжения. Изменение P проявляется как изменение поверхностной плотности заряда на гранях кристалла, т. е. как изменение электрического поля , простирающегося между гранями, вызванное изменением дипольной плотности в объеме. Например, куб кварца объемом 1 см3 ^с правильно приложенной силой 2 кН (500 фунтов-силы) может создать напряжение 12500 В. [ ^20]

Пьезоэлектрические материалы также демонстрируют противоположный эффект, называемый обратным пьезоэлектрическим эффектом , когда приложение электрического поля создает механическую деформацию в кристалле.

Математическое описание

Линейный пьезоэлектричество представляет собой совокупный эффект

• Линейное электрическое поведение материала:

${\displaystyle \mathbf {D} ={\boldsymbol {\varepsilon }}\,\mathbf {E} \quad \implies }$ ${\displaystyle \quad D_{i}=\sum _{j}\varepsilon _{ij}\,E_{j}\;}$

где D — плотность электрического потока ^{[21] [22]} ( электрическое смещение ), ε — диэлектрическая проницаемость (диэлектрическая постоянная свободного тела), E — напряженность электрического поля , и , . ${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {D} =0}$ ${\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =\mathbf {0} }$

• Закон Гука для линейно-упругих материалов:

${\displaystyle {\boldsymbol {S}}={\mathsf {s}}\,{\boldsymbol {T}}\quad \implies \quad S_{ij}=\sum _{k,\ell }s_{ijk\ell }\,T_{k\ell }\;}$

где S — линеаризованная деформация , s — податливость в условиях короткого замыкания, T — напряжение , и

${\displaystyle \nabla \cdot {\boldsymbol {T}}=\mathbf {0} \,\,,\,{\boldsymbol {S}}={\frac {\nabla \mathbf {u} +\mathbf {u} \nabla }{2}},}$

где u — вектор смещения .

Их можно объединить в так называемые связанные уравнения , форма деформации-заряда которых имеет вид: ^[23]

${\displaystyle {\begin{aligned}{\boldsymbol {S}}&={\mathsf {s}}\,{\boldsymbol {T}}+{\mathfrak {d}}^{t}\,\mathbf {E} \ &&\implies \quad S_{ij}=\sum _{k,\ell }s_{ijk\ell }\,T_{k\ell }+\sum _{k}d_{ijk}^{t}\,E_{k},\\[6pt]\mathbf {D} &={\mathfrak {d}}\,{\boldsymbol {T}}+{\boldsymbol {\varepsilon }}\,\mathbf {E} &&\implies \quad D_{i}=\sum _{j,k}d_{ijk}\,T_{jk}+\sum _{j}\varepsilon _{ij}\,E_{j},\end{aligned}}}$

где — пьезоэлектрический тензор, а верхний индекс t обозначает его транспонирование. Ввиду симметрии , . ${\displaystyle {\mathfrak {d}}}$ ${\displaystyle {\mathfrak {d}}}$ ${\displaystyle d_{ijk}^{t}=d_{kji}=d_{kij}}$

В матричной форме,

${\displaystyle {\begin{aligned}\{S\}&=\left[s^{E}\right]\{T\}+[d^{\mathrm {t} }]\{E\},\\[6pt]\{D\}&=[d]\{T\}+\left[\varepsilon ^{T}\right]\{E\},\end{aligned}}}$

где [ d ] — матрица для прямого пьезоэлектрического эффекта, а [ d ^t ] — матрица для обратного пьезоэлектрического эффекта. Верхний индекс E указывает на нулевое или постоянное электрическое поле; верхний индекс T указывает на нулевое или постоянное поле напряжений; а верхний индекс t обозначает транспонирование матрицы .

Обратите внимание, что тензор третьего порядка отображает векторы в симметричные матрицы. Не существует нетривиальных инвариантных относительно вращения тензоров, обладающих этим свойством, поэтому не существует изотропных пьезоэлектрических материалов. ${\displaystyle {\mathfrak {d}}}$

Деформационный заряд для материала класса кристаллов 4 мм (C _4v ) (например, поляризованной пьезоэлектрической керамики, такой как тетрагональный PZT или BaTiO ₃ ), а также класса кристаллов 6 мм также может быть записан как (ANSI IEEE 176):

${\displaystyle {\begin{aligned}&{\begin{bmatrix}S_{1}\\S_{2}\\S_{3}\\S_{4}\\S_{5}\\S_{6}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}s_{11}^{E}&s_{12}^{E}&s_{13}^{E}&0&0&0\\s_{21}^{E}&s_{22}^{E}&s_{23}^{E}&0&0&0\\s_{31}^{E}&s_{32}^{E}&s_{33}^{E}&0&0&0\\0&0&0&s_{44}^{E}&0&0\\0&0&0&0&s_{55}^{E}&0\\0&0&0&0&0&s_{66}^{E}=2\left(s_{11}^{E}-s_{12}^{E}\right)\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}T_{1}\\T_{2}\\T_{3}\\T_{4}\\T_{5}\\T_{6}\end{bmatrix}}+{\begin{bmatrix}0&0&d_{31}\\0&0&d_{32}\\0&0&d_{33}\\0&d_{24}&0\\d_{15}&0&0\\0&0&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}E_{1}\\E_{2}\\E_{3}\end{bmatrix}}\\[8pt]&{\begin{bmatrix}D_{1}\\D_{2}\\D_{3}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}0&0&0&0&d_{15}&0\\0&0&0&d_{24}&0&0\\d_{31}&d_{32}&d_{33}&0&0&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}T_{1}\\T_{2}\\T_{3}\\T_{4}\\T_{5}\\T_{6}\end{bmatrix}}+{\begin{bmatrix}{\varepsilon }_{11}&0&0\\0&{\varepsilon }_{22}&0\\0&0&{\varepsilon }_{33}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}E_{1}\\E_{2}\\E_{3}\end{bmatrix}}\end{aligned}}}$

где первое уравнение представляет собой соотношение для обратного пьезоэлектрического эффекта, а второе — для прямого пьезоэлектрического эффекта. ^[24]

Хотя приведенные выше уравнения являются наиболее используемой формой в литературе, необходимы некоторые комментарии об обозначениях. Как правило, D и E являются векторами , то есть декартовыми тензорами ранга 1; а диэлектрическая проницаемость ε является декартовым тензором ранга 2. Деформация и напряжение, в принципе, также являются тензорами ранга 2. Но традиционно, поскольку деформация и напряжение являются симметричными тензорами, индекс деформации и напряжения можно переименовать следующим образом: 11 → 1; 22 → 2; 33 → 3; 23 → 4; 13 → 5; 12 → 6. (Разные авторы в литературе могут использовать разные соглашения. Например, некоторые используют 12 → 4; 23 → 5; 31 → 6 вместо этого.) Вот почему S и T , по-видимому, имеют «векторную форму» из шести компонентов. Следовательно, s , по -видимому, является матрицей 6 на 6 вместо тензора ранга 3. Такая переименованная нотация часто называется нотацией Фойгта . Являются ли компоненты деформации сдвига S ₄ , S ₅ , S ₆ компонентами тензора или инженерными деформациями — это другой вопрос. В уравнении выше они должны быть инженерными деформациями для того, чтобы коэффициент 6,6 матрицы податливости был записан так, как показано, т. е. 2( s^Э
₁₁ −  с^Е
₁₂). Инженерные сдвиговые деформации в два раза больше соответствующего тензорного сдвига, например, S ₆  = 2 S ₁₂ и т. д. Это также означает, что s ₆₆  =  ⁠1/Г ₁₂⁠ , где G ₁₂ — модуль сдвига.

Всего существует четыре пьезоэлектрических коэффициента, d _ij , e _ij , g _ij и h _{ij ,} определяемых следующим образом:

${\displaystyle {\begin{aligned}d_{ij}&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial D_{i}}{\partial T_{j}}}\right)^{E}&&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial S_{j}}{\partial E_{i}}}\right)^{T}\\[6pt]e_{ij}&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial D_{i}}{\partial S_{j}}}\right)^{E}&&=-\left({\frac {\partial T_{j}}{\partial E_{i}}}\right)^{S}\\[6pt]g_{ij}&=-\left({\frac {\partial E_{i}}{\partial T_{j}}}\right)^{D}&&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial S_{j}}{\partial D_{i}}}\right)^{T}\\[6pt]h_{ij}&=-\left({\frac {\partial E_{i}}{\partial S_{j}}}\right)^{D}&&=-\left({\frac {\partial T_{j}}{\partial D_{i}}}\right)^{S}\end{aligned}}}$

где первый набор из четырех членов соответствует прямому пьезоэлектрическому эффекту, а второй набор из четырех членов соответствует обратному пьезоэлектрическому эффекту. Равенство между прямым пьезоэлектрическим тензором и транспонированным обратным пьезоэлектрическим тензором происходит из соотношений Максвелла в термодинамике. ^[25] Для тех пьезоэлектрических кристаллов, для которых поляризация имеет тип, индуцированный кристаллическим полем, был разработан формализм, который позволяет вычислять пьезоэлектрические коэффициенты d _ij из электростатических постоянных решетки или констант Маделунга более высокого порядка . ^[18]

Кристаллические классы

Любой пространственно разделенный заряд приведет к электрическому полю , и, следовательно, электрическому потенциалу . Здесь показан стандартный диэлектрик в конденсаторе . В пьезоэлектрическом устройстве механическое напряжение, а не приложенное извне напряжение, вызывает разделение заряда в отдельных атомах материала.

Из 32 кристаллических классов 21 являются нецентросимметричными (не имеющими центра симметрии), и из них 20 проявляют прямое пьезоэлектричество ^[26] (21-й - кубический класс 432). Десять из них представляют полярные кристаллические классы, ^[27] которые демонстрируют спонтанную поляризацию без механического напряжения из-за неисчезающего электрического дипольного момента, связанного с их элементарной ячейкой, и которые проявляют пироэлектричество . Если дипольный момент можно обратить, приложив внешнее электрическое поле, материал называется сегнетоэлектриком .

• 10 классов полярных (пироэлектрических) кристаллов: 1, 2, м, мм2, 4, 4 мм, 3, 3м, 6, 6 мм.
• Остальные 10 классов пьезоэлектрических кристаллов: 222, 4 , 422, 422m , 32, 6 , 622, 622m , 23, 43m .

Для полярных кристаллов, для которых P  ≠ 0 выполняется без приложения механической нагрузки, пьезоэлектрический эффект проявляется в изменении величины или направления P , или того и другого.

С другой стороны, для неполярных, но пьезоэлектрических кристаллов поляризация P, отличная от нуля, возникает только при приложении механической нагрузки. Для них можно представить, что напряжение преобразует материал из класса неполярных кристаллов ( P  = 0) в полярный, ^[18] имеющий P  ≠ 0.

Материалы

Многие материалы обладают пьезоэлектричеством.

Кристаллические материалы

• Лангасит (La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ ) – кварцеподобный кристалл
• Ортофосфат галлия (GaPO4 ₎ – кварцеподобный кристалл
• Ниобат лития (LiNbO ₃ )
• Танталат лития (LiTaO ₃ )
• Кварц
• Берлинит (AlPO4 ₎ – редкий фосфатный минерал , структурно идентичный кварцу.
• сегнетовая соль
• Топаз  – пьезоэлектричество в топазе, вероятно, можно объяснить упорядочением (F,OH) в его решетке, которая в противном случае является центросимметричной: орторомбической бипирамидальной (mmm). Топаз обладает аномальными оптическими свойствами, которые приписываются такому упорядочению. ^[28]
• Минералы группы турмалина
• Титанат свинца (PbTiO ₃ ) – хотя в природе он встречается в виде минерала мацедонита ^{[29] [30],} его синтезируют для исследований и применения.

Керамика

Тетрагональная элементарная ячейка титаната свинца

Керамика с хаотично ориентированными зернами должна быть сегнетоэлектрической, чтобы проявлять пьезоэлектричество. ^[31] Возникновение аномального роста зерен (AGG) в спеченной поликристаллической пьезоэлектрической керамике оказывает пагубное воздействие на пьезоэлектрические характеристики в таких системах и его следует избегать, поскольку микроструктура в пьезокерамике, проявляющей AGG , имеет тенденцию состоять из нескольких аномально больших удлиненных зерен в матрице хаотично ориентированных более мелких зерен. Макроскопическое пьезоэлектричество возможно в текстурированных поликристаллических несегнетоэлектрических пьезоэлектрических материалах, таких как AlN и ZnO. Семейства керамики с перовскитом , вольфрамовой бронзой и родственными структурами проявляют пьезоэлектричество:

• Цирконат-титанат свинца ( Pb [ Zr _x Ti _{1− x} ] O ₃ с 0 ≤  x  ≤ 1) — более известный как PZT, наиболее распространенная пьезоэлектрическая керамика, используемая сегодня.
• Ниобат калия (KNbO ₃ ) ^[32]
• Вольфрамат натрия ( _{Na2WO3 )}​
• Ba2NaNb5O5_​​_​​_​
• Pb2KNb5O15_​​_​​_​
• Оксид цинка (ZnO) – структура вюрцита . В то время как монокристаллы ZnO являются пьезоэлектриками и пироэлектриками, поликристаллический (керамический) ZnO с хаотично ориентированными зернами не проявляет ни пьезоэлектрического, ни пироэлектрического эффекта. Не будучи сегнетоэлектриком, поликристаллический ZnO не может быть поляризован, как титанат бария или PZT. Керамика и поликристаллические тонкие пленки ZnO могут проявлять макроскопические пьезоэлектричество и пироэлектричество только в том случае, если они текстурированы (зерна преимущественно ориентированы), так что пьезоэлектрические и пироэлектрические отклики всех отдельных зерен не отменяют друг друга. Это легко достигается в поликристаллических тонких пленках. ^[24]

Пьезокерамика без содержания свинца

• Ниобат натрия и калия ((K,Na)NbO ₃ ). Этот материал также известен как NKN или KNN. В 2004 году группа японских исследователей под руководством Ясуёси Сайто открыла состав ниобата натрия и калия со свойствами, близкими к свойствам PZT, включая высокую T _C . ^[33] Было показано, что некоторые составы этого материала сохраняют высокий коэффициент механической добротности ( Q _m  ≈ 900) при увеличении уровня вибрации, тогда как коэффициент механической добротности твердого PZT ухудшается в таких условиях. Этот факт делает NKN перспективной заменой для резонансных приложений высокой мощности, таких как пьезоэлектрические трансформаторы. ^[34]
• Феррит висмута (BiFeO ₃ ) – перспективный кандидат на замену керамики на основе свинца.
• Ниобат натрия (NaNbO ₃ )
• Титанат бария (BaTiO ₃ ) – титанат бария был первой обнаруженной пьезоэлектрической керамикой.
• Титанат висмута (Bi ₄ Ti ₃ O ₁₂ )
• Титанат натрия-висмута (NaBi(TiO ₃ ) ₂ )

Изготовление пьезокерамики без свинца создает множество проблем с точки зрения экологии и ее способности воспроизводить свойства своих аналогов на основе свинца. При удалении свинцового компонента пьезокерамики риск токсичности для людей снижается, но добыча и извлечение материалов могут быть вредны для окружающей среды. ^[35] Анализ экологического профиля PZT по сравнению с ниобатом натрия и калия (NKN или KNN) показывает, что по четырем рассматриваемым показателям (потребление первичной энергии, токсикологический след, экологический показатель 99 и выбросы парниковых газов на входе-выходе вверх по течению) KNN на самом деле более вреден для окружающей среды. Большинство проблем с KNN, в частности с его компонентом Nb 2 _O 5 _, находятся на ранней стадии его жизненного цикла, прежде чем он достигнет производителей. Поскольку вредное воздействие сосредоточено на этих ранних стадиях, можно предпринять некоторые действия для минимизации последствий. Возвращение земли как можно ближе к ее первоначальному виду после добычи Nb ₂ O ₅ путем демонтажа плотины или замены запаса пригодной для использования почвы являются известными вспомогательными средствами для любого мероприятия по добыче. Для минимизации последствий для качества воздуха все еще необходимо провести моделирование и имитацию, чтобы полностью понять, какие методы смягчения требуются. Извлечение бессвинцовых пьезокерамических компонентов в настоящее время не достигло значительных масштабов, но на основе раннего анализа эксперты призывают проявлять осторожность, когда речь идет об экологических последствиях.

Изготовление пьезокерамики без свинца сталкивается с проблемой сохранения производительности и стабильности ее аналогов на основе свинца. В целом, основной проблемой изготовления является создание «морфотропных фазовых границ (MPB)», которые обеспечивают материалы их стабильными пьезоэлектрическими свойствами без введения «полиморфных фазовых границ (PPB)», которые снижают температурную стабильность материала. ^[36] Новые фазовые границы создаются путем изменения концентраций добавок таким образом, чтобы температуры фазового перехода сходились при комнатной температуре. Введение MPB улучшает пьезоэлектрические свойства, но если вводится PPB, материал становится отрицательно подверженным влиянию температуры. Продолжаются исследования по контролю типа фазовых границ, которые вводятся посредством фазовой инженерии, диффузионных фазовых переходов, доменной инженерии и химической модификации.

Полупроводники III–V и II–VI

Пьезоэлектрический потенциал может быть создан в любом объемном или наноструктурированном полупроводниковом кристалле, имеющем нецентральную симметрию, например, в материалах группы III – V и II – VI , из-за поляризации ионов под действием приложенного напряжения и деформации. Это свойство является общим для кристаллических структур как цинковой обманки , так и вюрцита . В первом порядке, в цинковой обманке есть только один независимый пьезоэлектрический коэффициент , называемый e ₁₄ , связанный со сдвиговыми компонентами деформации. В вюрците вместо этого есть три независимых пьезоэлектрических коэффициента: e ₃₁ , e ₃₃ и e ₁₅ . Полупроводники, в которых наблюдается самое сильное пьезоэлектричество, - это те, которые обычно встречаются в структуре вюрцита , то есть GaN , InN , AlN и ZnO (см. пьезотроника ).

С 2006 года также появился ряд сообщений о сильных нелинейных пьезоэлектрических эффектах в полярных полупроводниках . ^[37] Такие эффекты, как правило, признаются по крайней мере важными, если не того же порядка величины, что и приближение первого порядка.

Полимеры

Пьезоотклик полимеров не такой высокий, как отклик керамики; однако полимеры обладают свойствами, которых нет у керамики. За последние несколько десятилетий нетоксичные пьезоэлектрические полимеры изучались и применялись из-за их гибкости и меньшего акустического импеданса . ^[38] Другие свойства, которые делают эти материалы значимыми, включают их биосовместимость , биоразлагаемость , низкую стоимость и низкое энергопотребление по сравнению с другими пьезоматериалами (керамикой и т. д.). ^[39] Пьезоэлектрические полимеры и нетоксичные полимерные композиты могут использоваться, учитывая их различные физические свойства.

Пьезоэлектрические полимеры можно классифицировать как объемные полимеры, пустотные заряженные полимеры («пьезоэлектреты») и полимерные композиты. Пьезоотклик, наблюдаемый объемными полимерами, в основном обусловлен их молекулярной структурой. Существует два типа объемных полимеров: аморфные и полукристаллические . Примерами полукристаллических полимеров являются поливинилиденфторид (ПВДФ) и его сополимеры , полиамиды и парилен-С . Некристаллические полимеры, такие как полиимид и поливинилиденхлорид (ПВДХ), попадают под категорию аморфных объемных полимеров. Пустотные заряженные полимеры проявляют пьезоэлектрический эффект из-за заряда, вызванного поляризацией пористой полимерной пленки. Под действием электрического поля заряды образуются на поверхности пустот, образуя диполи. Электрические отклики могут быть вызваны любой деформацией этих пустот. Пьезоэлектрический эффект также можно наблюдать в полимерных композитах путем интеграции пьезоэлектрических керамических частиц в полимерную пленку. Полимер не обязательно должен быть пьезоактивным, чтобы быть эффективным материалом для полимерного композита. ^[39] В этом случае материал может состоять из инертной матрицы с отдельным пьезоактивным компонентом.

PVDF проявляет пьезоэлектричество в несколько раз больше, чем кварц. Пьезоотклик, наблюдаемый у PVDF, составляет около 20–30 пКл/Н. Это в 5–50 раз меньше, чем у пьезоэлектрической керамики цирконата титаната свинца (PZT). ^{[38] [39]} Термическая стабильность пьезоэлектрического эффекта полимеров семейства PVDF (т. е. винилиденфторид сополимер с политрифторэтиленом) достигает 125 °C. Некоторые применения PVDF — это датчики давления, гидрофоны и датчики ударных волн. ^[38]

Благодаря своей гибкости пьезоэлектрические композиты были предложены в качестве сборщиков энергии и наногенераторов. В 2018 году Чжу и др. сообщили, что пьезоэлектрический отклик около 17 пКл/Н может быть получен из нанокомпозита PDMS/PZT при пористости 60%. ^[40] Другой нанокомпозит PDMS был представлен в 2017 году, в котором BaTiO ₃ был интегрирован в PDMS для создания растягиваемого, прозрачного наногенератора для автономного физиологического мониторинга. ^[41] В 2016 году полярные молекулы были введены в полиуретановую пену, в которой были зарегистрированы высокие отклики до 244 пКл/Н. ^[42]

Другие материалы

Большинство материалов демонстрируют по крайней мере слабые пьезоэлектрические отклики. Тривиальные примеры включают сахарозу (столовый сахар), ДНК , вирусные белки, в том числе из бактериофага . ^{[43] [44]} Сообщалось о приводе на основе древесных волокон, называемых целлюлозными волокнами . ^[39] Отклики D33 для ячеистого полипропилена составляют около 200 пКл/Н. Некоторые применения ячеистого полипропилена - это музыкальные клавиатуры, микрофоны и системы эхолокации на основе ультразвука. ^[38] Недавно одна аминокислота, такая как β-глицин, также продемонстрировала высокий пьезоэлектрический эффект (178 пмВ ^-1 ) по сравнению с другими биологическими материалами. ^[45]

Ионные жидкости недавно были идентифицированы как первая пьезоэлектрическая жидкость. ^[46]

Приложение

Высокое напряжение и источники питания

Прямое пьезоэлектричество некоторых веществ, таких как кварц, может генерировать разность потенциалов в тысячи вольт.

• Наиболее известным применением является электрическая зажигалка : нажатие кнопки заставляет подпружиненный молоток ударять по пьезоэлектрическому кристаллу, создавая достаточно высоковольтный электрический ток , который протекает через небольшой искровой промежуток , нагревая и поджигая газ. Портативные искрогасители, используемые для зажигания газовых плит, работают таким же образом, и многие типы газовых горелок теперь имеют встроенные системы зажигания на основе пьезоэлемента.
• Аналогичная идея исследуется DARPA в Соединенных Штатах в проекте под названием « собирание энергии» , который включает попытку питания боевого оборудования пьезоэлектрическими генераторами, встроенными в ботинки солдат . Однако эти источники сбора энергии по ассоциации влияют на организм. Попытка DARPA использовать 1–2 Вт от непрерывного удара обуви во время ходьбы была отклонена из-за непрактичности и дискомфорта от дополнительной энергии, затрачиваемой человеком, носящим обувь. Другие идеи сбора энергии включают Crowd Farm , сбор энергии от движений человека на вокзалах или в других общественных местах ^{[47] [48]} и преобразование танцпола для выработки электроэнергии. ^[49] Вибрации от промышленного оборудования также могут собираться пьезоэлектрическими материалами для зарядки батарей для резервного питания или для питания маломощных микропроцессоров и беспроводных радиостанций. ^{[50] [51]}
• Пьезоэлектрический трансформатор — это тип умножителя переменного напряжения. В отличие от обычного трансформатора, который использует магнитную связь между входом и выходом, пьезоэлектрический трансформатор использует акустическую связь . Входное напряжение подается на короткую часть стержня пьезокерамического материала, такого как PZT , создавая переменное напряжение в стержне за счет обратного пьезоэлектрического эффекта и заставляя весь стержень вибрировать. Частота вибрации выбирается в качестве резонансной частоты блока, обычно в диапазоне от 100  килогерц до 1 мегагерца. Затем более высокое выходное напряжение генерируется на другом участке стержня за счет пьезоэлектрического эффекта. Были продемонстрированы коэффициенты повышения более 1000:1. ^{[ необходима цитата ]} Дополнительной особенностью этого трансформатора является то, что, работая выше его резонансной частоты, его можно заставить выглядеть как индуктивная нагрузка, что полезно в цепях, требующих управляемого плавного пуска. ^[52] Эти устройства могут использоваться в инверторах постоянного тока в переменный для управления люминесцентными лампами с холодным катодом . Пьезопреобразователи являются одними из самых компактных источников высокого напряжения.

Датчики

Пьезоэлектрический диск, используемый в качестве звукоснимателя для гитары

Многие реактивные гранаты использовали пьезоэлектрический взрыватель. На фото: российский РПГ-7 ^[53]

Принцип работы пьезоэлектрического датчика заключается в том, что физическое измерение, преобразованное в силу, действует на две противоположные грани чувствительного элемента. В зависимости от конструкции датчика могут использоваться различные «режимы» нагружения пьезоэлектрического элемента: продольный, поперечный и сдвиговой.

Обнаружение изменений давления в форме звука является наиболее распространенным применением датчика, например, пьезоэлектрические микрофоны (звуковые волны изгибают пьезоэлектрический материал, создавая изменяющееся напряжение) и пьезоэлектрические звукосниматели для акустических электрогитар . Пьезодатчик, прикрепленный к корпусу инструмента, известен как контактный микрофон .

Пьезоэлектрические датчики особенно широко используются в ультразвуковых преобразователях с высокочастотным звуком для медицинской визуализации, а также для промышленного неразрушающего контроля (НК).

Для многих методов измерения датчик может действовать как датчик и привод — часто термин преобразователь предпочтительнее, когда устройство действует в этом двойном качестве, но большинство пьезоустройств обладают этим свойством обратимости, независимо от того, используется оно или нет. Ультразвуковые преобразователи, например, могут вводить ультразвуковые волны в тело, принимать отраженную волну и преобразовывать ее в электрический сигнал (напряжение). Большинство медицинских ультразвуковых преобразователей являются пьезоэлектрическими.

Помимо упомянутых выше, различные области применения датчиков и преобразователей включают в себя:

• Пьезоэлектрические элементы также используются для обнаружения и генерации гидроакустических волн.
• Пьезоэлектрические материалы используются в одноосном и двухосном измерении наклона. ^[54]
• Мониторинг мощности в энергоемких приложениях (например, в медицине, сонохимии и промышленной переработке).
• Пьезоэлектрические микровесы используются в качестве очень чувствительных химических и биологических датчиков.
• Пьезоэлектрики иногда используются в тензодатчиках . Однако чаще используется элемент с пьезорезистивным эффектом .
• В пенетрометре зонда Гюйгенса использовался пьезоэлектрический преобразователь .
• Пьезоэлектрические преобразователи используются в электронных барабанных пэдах для обнаружения ударов палочек барабанщика, а также для обнаружения движений мышц в медицинской акселеромиографии .
• Системы управления двигателем автомобиля используют пьезоэлектрические преобразователи для обнаружения стука двигателя (датчик детонации, KS), также известного как детонация, на определенных частотах герц. Пьезоэлектрический преобразователь также используется в системах впрыска топлива для измерения абсолютного давления в коллекторе (датчик MAP) для определения нагрузки двигателя и, в конечном счете, миллисекунд времени работы топливных форсунок.
• Ультразвуковые пьезоэлектрические датчики используются для обнаружения акустической эмиссии при акустическом эмиссионном контроле .
• Пьезоэлектрические преобразователи могут использоваться в ультразвуковых расходомерах с измерением времени прохождения потока .

Приводы

Металлический диск с прикрепленным пьезоэлектрическим диском, используемый в зуммере

Поскольку очень высокие электрические поля соответствуют лишь крошечным изменениям ширины кристалла, эта ширина может быть изменена с точностью лучше, чем мкм , что делает пьезокристаллы важнейшим инструментом для позиционирования объектов с чрезвычайной точностью — отсюда их использование в приводах . ^[55] Многослойная керамика, использующая слои тоньше 100 мкм , позволяет достигать высоких электрических полей с напряжением ниже 150 В. Эта керамика используется в двух типах приводов: прямых пьезоприводах и усиленных пьезоэлектрических приводах . В то время как ход прямого привода обычно меньше 100 мкм , усиленные пьезоприводы могут достигать миллиметровых ходов.

• Громкоговорители : Напряжение преобразуется в механическое движение металлической диафрагмы.
• Ультразвуковая очистка обычно использует пьезоэлектрические элементы для создания интенсивных звуковых волн в жидкости.
• Пьезоэлектрические двигатели : Пьезоэлектрические элементы прикладывают направленную силу к оси , заставляя ее вращаться. Из-за чрезвычайно малых расстояний пьезоэлектрический двигатель рассматривается как высокоточная замена шаговому двигателю .
• Пьезоэлектрические элементы могут использоваться в выравнивании лазерных зеркал, где их способность перемещать большую массу (крепление зеркала) на микроскопические расстояния используется для электронного выравнивания некоторых лазерных зеркал. Точно контролируя расстояние между зеркалами, лазерная электроника может точно поддерживать оптические условия внутри лазерной полости для оптимизации выходного луча.
• Связанное применение — акустооптический модулятор , устройство, рассеивающее свет от звуковых волн в кристалле, генерируемых пьезоэлектрическими элементами. Это полезно для точной настройки частоты лазера.
• Атомно-силовые микроскопы и сканирующие туннельные микроскопы используют обратное пьезоэлектричество для удержания чувствительной иглы близко к образцу. ^[56]
• Струйные принтеры : во многих струйных принтерах для выталкивания чернил из печатающей головки струйного принтера на бумагу используются пьезоэлектрические кристаллы.
• Дизельные двигатели : Высокопроизводительные дизельные двигатели с системой Common Rail используют пьезоэлектрические топливные форсунки , впервые разработанные компанией Robert Bosch GmbH , вместо более распространенных электромагнитных клапанов .
• Активный контроль вибрации с использованием усиленных приводов.
• Рентгеновские затворы.
• XY-платформы для микросканирования, используемые в инфракрасных камерах.
• Перемещение пациента точно внутри активных КТ- и МРТ- сканеров, где сильное излучение или магнетизм исключают возможность использования электродвигателей. ^[57]
• Кристаллические наушники иногда используются в старых или маломощных радиоприемниках.
• Высокоинтенсивный сфокусированный ультразвук для локального нагрева или создания локальной кавитации может быть получен, например, в теле пациента или в промышленном химическом процессе.
• Обновляемый дисплей Брайля . Небольшой кристалл расширяется путем подачи тока, который перемещает рычаг, поднимая отдельные ячейки Брайля.
• Пьезоэлектрический привод. Один кристалл или несколько кристаллов расширяются путем подачи напряжения для перемещения и управления механизмом или системой. ^[55]
• Пьезоэлектрические приводы используются для точного сервопозиционирования в жестких дисках. ^{[58] [59]}

Стандарт частоты

Пьезоэлектрические свойства кварца полезны в качестве стандарта частоты .

• Кварцевые часы используют кварцевый генератор, изготовленный из кварцевого кристалла, который использует комбинацию как прямого, так и обратного пьезоэлектричества для генерации регулярной серии электрических импульсов, которая используется для отсчета времени. Кварцевый кристалл (как и любой эластичный материал) имеет точно определенную собственную частоту (вызванную его формой и размером), на которой он предпочитает колебаться , и это используется для стабилизации частоты периодического напряжения, приложенного к кристаллу.
• Тот же принцип используется в некоторых радиопередатчиках и приемниках , а также в компьютерах , где он создает тактовый импульс . Оба они обычно используют умножитель частоты для достижения гигагерцовых диапазонов.

Пьезоэлектрические двигатели

Привод с рывками и скольжением

Типы пьезоэлектрических двигателей включают в себя:

• Ультразвуковой двигатель, используемый для автофокусировки в зеркальных фотоаппаратах.
• Двигатели Inchworm для линейного перемещения
• Прямоугольные четырехквадрантные двигатели с высокой плотностью мощности (2,5  Вт /см3 ⁾ и скоростью от 10 нм/с до 800 мм/с.
• Шаговый пьезодвигатель, использующий эффект прерывистого скольжения .

За исключением шагового двигателя с рывками и скольжением, все эти двигатели работают по одному и тому же принципу. Приводимая в действие двойными ортогональными режимами вибрации с разностью фаз 90°, точка контакта между двумя поверхностями вибрирует по эллиптической траектории, создавая силу трения между поверхностями. Обычно одна поверхность фиксирована, заставляя другую двигаться. В большинстве пьезоэлектрических двигателей пьезоэлектрический кристалл возбуждается синусоидальным сигналом на резонансной частоте двигателя. Используя эффект резонанса, можно использовать гораздо более низкое напряжение для создания высокой амплитуды вибрации.

Двигатель скольжения-залипания работает, используя инерцию массы и трение зажима. Такие двигатели могут быть очень маленькими. Некоторые из них используются для смещения датчика камеры, что позволяет реализовать функцию антитряски.

Снижение вибраций и шума

Различные группы исследователей изучали способы снижения вибраций в материалах путем прикрепления пьезоэлементов к материалу. Когда материал изгибается вибрацией в одном направлении, система снижения вибрации реагирует на изгиб и посылает электроэнергию на пьезоэлемент для изгиба в другом направлении. Ожидается, что в будущем эта технология будет применяться в автомобилях и домах для снижения шума. Дальнейшие приложения к гибким конструкциям, таким как оболочки и пластины, также изучаются в течение почти трех десятилетий.

На демонстрации на выставке Material Vision Fair во Франкфурте в ноябре 2005 года команда из Технического университета Дармштадта в Германии продемонстрировала несколько панелей, по которым ударили резиновым молотком, и панель с пьезоэлементом немедленно перестала качаться.

Технология пьезоэлектрического керамического волокна используется в качестве электронной системы демпфирования в некоторых теннисных ракетках HEAD . ^[60]

Все пьезопреобразователи имеют основную резонансную частоту и множество гармонических частот. Системы капельной печати Drop-On-Demand с пьезоприводом чувствительны к дополнительным вибрациям в пьезоструктуре, которые необходимо уменьшить или устранить. Одна компания по производству струйных принтеров Howtek, Inc решила эту проблему, заменив стеклянные (жесткие) струйные сопла на струйные сопла Tefzel (мягкие). Эта новая идея популяризировала струйные принтеры с одним соплом, и теперь они используются в струйных 3D-принтерах, которые работают годами, если их содержать в чистоте и не перегревать (Tefzel ползет под давлением при очень высоких температурах)

Лечение бесплодия

У людей с предыдущей полной неудачей оплодотворения пьезоэлектрическая активация ооцитов вместе с интрацитоплазматической инъекцией сперматозоида (ИКСИ), по-видимому, улучшает результаты оплодотворения. ^[61]

Операция

Пьезохирургия ^[62] — это минимально инвазивная техника, которая направлена ​​на разрез целевой ткани с небольшим повреждением соседних тканей. Например, Hoigne et al. ^[63] использует частоты в диапазоне 25–29 кГц, вызывая микровибрации 60–210 мкм. Она способна разрезать минерализованную ткань, не разрезая нейроваскулярную ткань и другие мягкие ткани, тем самым сохраняя бескровную операционную зону, лучшую видимость и большую точность. ^[64]

Потенциальные приложения

В 2015 году исследователи Кембриджского университета, работавшие совместно с исследователями из Национальной физической лаборатории и компании Antenova Ltd., производящей диэлектрические антенны из Кембриджа, используя тонкие пленки пьезоэлектрических материалов, обнаружили, что на определенной частоте эти материалы становятся не только эффективными резонаторами, но и эффективными излучателями, что означает, что их потенциально можно использовать в качестве антенн. Исследователи обнаружили, что, подвергая пьезоэлектрические тонкие пленки асимметричному возбуждению, симметрия системы аналогичным образом нарушается, что приводит к соответствующему нарушению симметрии электрического поля и генерации электромагнитного излучения. ^{[65] [66]}

Было предпринято несколько попыток макромасштабного применения пьезоэлектрической технологии ^{[67] [68]} для сбора кинетической энергии у идущих пешеходов.

В этом случае определение зон с высокой интенсивностью движения имеет решающее значение для оптимизации эффективности сбора энергии, а также ориентация плиточного покрытия значительно влияет на общее количество собранной энергии. ^[69] Рекомендуется провести оценку плотности потока для качественной оценки потенциала сбора пьезоэлектрической энергии рассматриваемой области на основе количества пешеходных переходов в единицу времени. ^[70] В исследовании X. Li рассматривается и обсуждается потенциальное применение коммерческого пьезоэлектрического устройства сбора энергии в здании центрального узла в Университете Маккуори в Сиднее, Австралия. Оптимизация размещения пьезоэлектрической плитки представлена ​​в соответствии с частотой передвижения пешеходов, и разработана модель, в которой 3,1% от общей площади пола с самой высокой подвижностью пешеходов вымощено пьезоэлектрической плиткой. Результаты моделирования показывают, что общий годовой потенциал сбора энергии для предлагаемой оптимизированной модели плиточного покрытия оценивается в 1,1 МВт·ч/год, что будет достаточно для удовлетворения почти 0,5% годовых потребностей здания в энергии. ^[70] В Израиле есть компания, которая установила пьезоэлектрические материалы под оживленной автомагистралью. Вырабатываемой энергии достаточно для питания уличных фонарей, рекламных щитов и знаков. ^{[ необходима цитата ]}

Компания Goodyear, занимающаяся производством шин , планирует разработать электрогенерирующую шину, которая имеет пьезоэлектрический материал, выложенный внутри. Когда шина движется, она деформируется, и таким образом генерируется электричество. ^[71]

Эффективность гибридного фотоэлектрического элемента , содержащего пьезоэлектрические материалы, можно увеличить, просто поместив его рядом с источником окружающего шума или вибрации. Эффект был продемонстрирован с использованием органических элементов с использованием нанотрубок оксида цинка . Электричество, генерируемое самим пьезоэлектрическим эффектом, составляет незначительный процент от общего выхода. Уровень звука всего в 75 децибел повышает эффективность до 50%. Эффективность достигает пика при 10 кГц, резонансной частоте нанотрубок. Электрическое поле, создаваемое вибрирующими нанотрубками, взаимодействует с электронами, мигрирующими из слоя органического полимера. Этот процесс снижает вероятность рекомбинации, при которой электроны возбуждаются, но оседают обратно в отверстие вместо того, чтобы мигрировать в слой ZnO, принимающий электроны. ^{[72] [73]}

Смотрите также

• Усилитель заряда
• Электрет
• Электронный компонент
• Электрострикция
• Флексоэлектричество
• Магнитострикция
• Фотоэлектрический эффект
• Пьезоэлектрический динамик
• Пьезолюминесценция
• Пьезомагнетизм
• Пьезорезистивный эффект
• Пьезохирургический
• Микровесы из кварцевого кристалла
• Сономикрометрия
• Поверхностная акустическая волна
• Термоэлектрический генератор
• Триболюминесценция

Ссылки

1. Уэллс, Джон С. (2008). Словарь произношения Longman (3-е изд.). Longman. ISBN 978-1-4058-8118-0.
2. Холлер, Ф. Джеймс; Скуг, Дуглас А. и Крауч, Стэнли Р. (2007). Принципы инструментального анализа (6-е изд.). Cengage Learning. стр. 9. ISBN 978-0-495-01201-6.
3. Харпер, Дуглас. "пьезоэлектрический". Онлайн-словарь этимологии .
4. πιέζειν, ἤλεκτρον. Лидделл, Генри Джордж ; Скотт, Роберт ; Греко-английский словарь в проекте «Персей» .
5. Харпер, Дуглас. "пьезоэлектрический". Онлайн-словарь этимологии .
6. Ханкель, WG (1881). «Электрические исследования. Fünfzehnte Abhandlung. Über die aktino- und piezoelektrischen Eigenschaften des Bergkrystalles und ihre Beziehung zu den thermoelektrischen». Пятнадцатый трактат. О радиационных и пьезоэлектрических свойствах горного хрусталя [т. е. кварца] и их отношении к термоэлектрическим [свойствам]. Abhandlungen der Mathematisch-Physischen Klasse der Königlichen-Säschsischen Gesellschaft der Wissenschaften (на немецком языке). 12 : 459–547. Из стр. 462: «Da die durch Druck erzeugte Elektricität sonach auch besonderen Gesetzen unterliegt, so wird es angemessen sein, derselben gleichfalls einen besonderen Namen beizulegen, und es dürfte sich dazu die Bezeichnung Piezoelektricität eignen». (Поскольку электричество, [которое] генерируется давлением, поэтому также подчиняется особым законам, то ему также будет уместно дать особое название, и для этого могло бы подойти обозначение «пьезоэлектричество».)
   • Вышеупомянутая статья была также опубликована отдельно в виде брошюры: Hankel, WG (1881). Электрише Унтерсухунген. Fünfzehnte Abhandlung. Über die aktino- und piezoelektrischen Eigenschaften des Bergkrystalles und ihre Beziehung zu den thermoelektrischen (на немецком языке). Лейпциг, Германия: С. Хирцель. См. стр. 462.
7. Гаучи, Г. (2002). Пьезоэлектрическая сенсорика: датчики силы, деформации, давления, ускорения и акустической эмиссии, материалы и усилители . Springer . doi :10.1007/978-3-662-04732-3. ISBN 978-3-662-04732-3.
8. Крауткремер, Дж. и Крауткремер, Х. (1990). Ультразвуковой контроль материалов . Springer. стр. 119–49. ISBN 978-3-662-10680-8.
9. Manbachi, A. & Cobbold, RSC (2011). «Разработка и применение пьезоэлектрических материалов для генерации и обнаружения ультразвука». Ultrasound . 19 (4): 187–96. doi :10.1258/ult.2011.011027. S2CID  56655834.
10. Демпси, Джо (24 июня 2020 г.). «Как работают электронные барабаны?». Studio D. Архивировано из оригинала 1 октября 2019 г. Получено 27 июля 2021 г.
11. Тейлор, К. (31 октября 2011 г.). "Руководство по быстрому запуску набора пьезоударников". SparkFun Electronics . Получено 27 июля 2021 г.
12. Эрхарт, Йиржи. "Пьезоэлектричество и сегнетоэлектричество: явления и свойства" (PDF) . Кафедра физики, Технический университет Либерец. Архивировано из оригинала 8 мая 2014 г.{{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (link)
13. Кюри, Жак ; Кюри, Пьер (1880). «Развитие посредством сжатия электрической поляризации в полугранных кристаллах с наклонными гранями». Бюллетень Минерологического общества Франции . 3 (4): 90–93. дои : 10.3406/bulmi.1880.1564.
    Перепечатано в: Кюри, Жак ; Кюри, Пьер (1880). «Развитие, частичное давление, полярное электричество в полукруглых кристаллах для наклонных лиц». Comptes Rendus (на французском языке). 91 : 294–295. Архивировано из оригинала 5 декабря 2012 г.
    Смотрите также: Кюри, Жак ; Кюри, Пьер (1880). «Sur l'électricité polaire dans les cristaux hémièdres à face inclinées» [Об электрической поляризации в полуэдрических кристаллах с наклонными гранями]. Comptes Rendus (на французском языке). 91 : 383–386. Архивировано из оригинала 5 декабря 2012 г.
14. Липпманн, Г. (1881). «Принцип сохранения электричества». Annales de chimie et de Physique (на французском языке). 24 : 145. Архивировано из оригинала 8 февраля 2016 г.
15. Кюри, Жак ; Кюри, Пьер (1881). «Сжатия и расширения производятся под действием напряжения в полугранных кристаллах с наклонными гранями». Comptes Rendus (на французском языке). 93 : 1137–1140. Архивировано из оригинала 5 декабря 2012 г.
16. Фойгт, Вольдемар (1910). Лехрбух дер Кристаллфизик. Берлин: Б. Г. Тойбнер. Архивировано из оригинала 21 апреля 2014 г.
17. Katzir, S. (2012). «Кто знал пьезоэлектричество? Резерфорд и Ланжевен об обнаружении подводных лодок и изобретении гидролокатора». Примечания Rec. R. Soc . 66 (2): 141–157. doi : 10.1098/rsnr.2011.0049 .
18. M. Birkholz (1995). "Кристаллическое поле индуцированных диполей в гетерополярных кристаллах – II. физическое значение". Z. Phys. B . 96 (3): 333–340. Bibcode :1995ZPhyB..96..333B. doi :10.1007/BF01313055. S2CID  122393358. Архивировано из оригинала 2016-10-30.
19. S. Trolier-McKinstry (2008). "Глава 3: Кристаллохимия пьезоэлектрических материалов". В A. Safari; EK Akdo˘gan (ред.). Пьезоэлектрические и акустические материалы для преобразователей . Нью-Йорк: Springer. ISBN 978-0-387-76538-9.
20. Роберт Репас (2008-02-07). "Sensor Sense: Piezoelectric Force Sensors". Machinedesign.com . Архивировано из оригинала 2010-04-13 . Получено 2012-05-04 .
21. МЭК 80000-6, пункт 6-12
22. "IEC 60050 – Международный электротехнический словарь – Подробности для номера IEV 121-11-40: "плотность электрического потока"". www.electropedia.org .
23. Икеда, Т. (1996). Основы пьезоэлектричества . Oxford University Press.^{[ ISBN отсутствует ]}
24. Damjanovic, Dragan (1998). "Сегнетоэлектрические, диэлектрические и пьезоэлектрические свойства тонких сегнетоэлектрических пленок и керамики". Reports on Progress in Physics . 61 (9): 1267–1324. Bibcode :1998RPPh...61.1267D. doi :10.1088/0034-4885/61/9/002. S2CID  250873563.
25. Кочервинский, В. (2003). "Пьезоэлектричество в кристаллизующихся сегнетоэлектрических полимерах". Crystallography Reports . 48 (4): 649–675. Bibcode :2003CryRp..48..649K. doi :10.1134/1.1595194. S2CID  95995717.
26. "Piezoelectric Crystal Classes". Университет Ньюкасла, Великобритания. Архивировано из оригинала 2 апреля 2015 года . Получено 8 марта 2015 года .
27. "Pyroelectric Crystal Classes". Университет Ньюкасла, Великобритания. Архивировано из оригинала 2 апреля 2015 года . Получено 8 марта 2015 года .
28. Akizuki, Mizuhiko; Hampar, Martin S.; Zussman, Jack (1979). "Объяснение аномальных оптических свойств топаза" (PDF) . Mineralogic Magazine . 43 (326): 237–241. Bibcode :1979MinM...43..237A. CiteSeerX 10.1.1.604.6025 . doi :10.1180/minmag.1979.043.326.05. S2CID  4945694. 
29. Радусинович, Душан и Марков, Цветко (1971). «Македонит – титанат свинца: новый минерал» (PDF) . Американский минералог . 56 : 387–394. Архивировано (PDF) из оригинала 5 марта 2016 г.
30. Burke, EAJ; Kieft, C. (1971). «Второе появление македонита, PbTiO ₃ , Лонгбан, Швеция». Лит . 4 (2): 101–104. Bibcode :1971Litho...4..101B. doi :10.1016/0024-4937(71)90102-2.
31. Джаффе, Б.; Кук, У. Р.; Джаффе, Х. (1971). Пьезоэлектрическая керамика . Нью-Йорк: Academic.^{[ ISBN отсутствует ]}
32. Ганешкумар, Раджасекаран; Сомнат, Сухас; Чиа, Чин Вэй; Джесси, Стивен; Калинин, Сергей В.; Чжао, Ронг (2017-12-06). «Расшифровка кажущегося сегнетоэлектричества в перовскитных нановолокнах». ACS Applied Materials & Interfaces . 9 (48): 42131–42138. doi :10.1021/acsami.7b14257. ISSN  1944-8244. PMID  29130311.
33. Сайто, Ясуёси; Такао, Хисааки; Танил, Тошихико; Нонояма, Тацухико; Такатори, Казумаса; Хомма, Такахико; Нагая, Тошиацу; Накамура, Масая (4 ноября 2004 г.). «Бессвинцовая пьезокерамика». Природа . 432 (7013): 81–87. Бибкод : 2004Natur.432...84S. дои : 10.1038/nature03028. PMID  15516921. S2CID  4352954.
34. Гурдал, Эркан А.; Урал, Сейит О.; Парк, Хви-Ёль; Нам, Сахн; Учино, Кэндзи (2011). "Высокопроизводительный пьезоэлектрический трансформатор на основе (Na _0,5 K _0,5 )NbO _{3 без свинца".} Японский журнал прикладной физики . 50 (2): 027101. Bibcode : 2011JaJAP..50b7101G. doi : 10.1143/JJAP.50.027101. ISSN  0021-4922. S2CID  123625588.
35. Ибн-Мохаммед, Т., Кох, С., Рини, И., Синклер, Д., Мустафа, К., Аккуайе, А. и Ван, Д. (2017). «Являются ли пьезоэлектрики без свинца более экологичными?» MRS Communications , 7 (1), 1-7. doi: 10.1557/mrc.2017.10
36. Ву, Цзяган. (2020). «Перовскитная бессвинцовая пьезоэлектрическая керамика». Журнал прикладной физики , 127 (19). doi: 10.1063/5.0006261
37. Migliorato, Max; et al. (2014). Обзор нелинейного пьезоэлектричества в полупроводниках . Труды конференции AIP. Труды конференции AIP. Том 1590. С. 32–41. Bibcode : 2014AIPC.1590...32M. doi : 10.1063/1.4870192 .
38. Хейванг, Вальтер; Любиц, Карл; Версинг, Вольфрам, ред. (2008). Пьезоэлектричество: эволюция и будущее технологии . Берлин: Springer. ISBN 978-3540686835. OCLC  304563111.
39. Сапати, Киран; Бхадра, Шармиштха; Сапати, Киран Кумар; Бхадра, Шармиштха (2018). «Пьезоэлектрический полимер и бумажные подложки: обзор». Датчики . 18 (11): 3605. Бибкод : 2018Senso..18.3605S. дои : 10.3390/s18113605 . ПМК 6263872 . ПМИД  30355961. 
40. Ма, Си Вэй; Фань, Ю Цзюнь; Ли, Хуа Ян; Су, Ли; Ван, Чжун Линь; Чжу, Гуан (2018-09-07). «Гибкий пористый наногенератор на основе полидиметилсилоксана/цирконата титаната свинца, обеспечиваемый двойным эффектом сегнетоэлектричества и пьезоэлектричества». ACS Applied Materials & Interfaces . 10 (39): 33105–33111. doi :10.1021/acsami.8b06696. ISSN  1944-8244. PMID  30191707. S2CID  52171041.
41. Чэнь, Сяолян; Парида, Каушик; Ван, Цзянсинь; Сюн, Цзяцин; Ли, Мэн-Фан; Шао, Цзинью; Ли, Пуи Си (2017-11-20). «Растягивающийся и прозрачный нанокомпозитный наногенератор для автономного физиологического мониторинга». ACS Applied Materials & Interfaces . 9 (48): 42200–42209. doi :10.1021/acsami.7b13767. ISSN  1944-8244. PMID  29111642.
42. Moody, MJ; Marvin, CW; Hutchison, GR (2016). «Молекулярно-легированные полиуретановые пены с массивным пьезоэлектрическим откликом». Journal of Materials Chemistry C. 4 ( 20): 4387–4392. doi :10.1039/c6tc00613b. ISSN  2050-7526.
43. Ли, BY; Чжан, J.; Цюгер, C.; Чунг, WJ; Ю, SY; Ван, E.; Мейер, J.; Рамеш, R.; Ли, SW (2012-05-13). "Пьезоэлектрическое генерирование энергии на основе вирусов". Nature Nanotechnology . 7 (6): 351–356. Bibcode : 2012NatNa...7..351L. doi : 10.1038/nnano.2012.69. PMID  22581406.
44. Тао, Кай и др. (2019). «Стабильные и оптоэлектронные дипептидные сборки для сбора энергии». Materials Today . 30 : 10–16. doi :10.1016/j.mattod.2019.04.002. PMC 6850901. PMID  31719792. 
45. Герен, Сара; Стэплтон, Эйми; Чован, Драгомир; Моурас, Рабах; Глисон, Мэтью; МакКеон, Циан; Нур, Мохамед Радзи; Силен, Кристоф; Рен, Фернандо МФ; Холкин, Андрей Л.; Лю, Нин (февраль 2018 г.). «Управление пьезоэлектричеством в аминокислотах с помощью супрамолекулярной упаковки». Nature Materials . 17 (2): 180–186. doi :10.1038/nmat5045. ISSN  1476-1122. PMID  29200197.
46. Чой, Чарльз К. (25 марта 2023 г.). «Жидкие соли фокусируют кнопочные линзы – IEEE Spectrum». IEEE Spectrum . Получено 13 апреля 2023 г.
47. Ричард, Майкл Грэм (2006-08-04). "Япония: производство электроэнергии из турникетов на железнодорожных станциях". TreeHugger . Discovery Communications, LLC. Архивировано из оригинала 2007-07-09.
48. Райт, Сара Х. (2007-07-25). "MIT duo sees people-powered "Crowd Farm"". Новости MIT . Массачусетский технологический институт . Архивировано из оригинала 2007-09-12.
49. Каннампилли, Амму (2008-07-11). "Как спасти мир по одному танцу за раз". ABC News . Архивировано из оригинала 2010-10-31.
50. Барбехенн, Джордж Х. (октябрь 2010 г.). «Истинная независимость от сети: надежная система сбора энергии для беспроводных датчиков использует пьезоэлектрический источник питания для сбора энергии и литий-полимерные батареи с шунтирующим зарядным устройством». Журнал аналоговых инноваций : 36.
51. Бахл, Шаши; Нагар, Химансху; Сингх, Индерприт; Сехгал, Шанкар (2020-01-01). «Типы, свойства и применение интеллектуальных материалов: обзор». Materials Today: Труды . Международная конференция по аспектам материаловедения и инженерии. 28 : 1302–1306. doi :10.1016/j.matpr.2020.04.505. ISSN  2214-7853. S2CID  219435304.
52. Филлипс, Джеймс Р. (2000-08-10). "Пьезоэлектрическая технология: Учебник". eeProductCenter . TechInsights. Архивировано из оригинала 2010-10-06.
53. Спек, Шейн (2004-03-11). "Как работают реактивные гранаты Шейна Спека". HowStuffWorks.com . Архивировано из оригинала 2012-04-29 . Получено 2012-05-04 .
54. Moubarak, P.; et al. (2012). «Самокалибрующаяся математическая модель для прямого пьезоэлектрического эффекта нового датчика наклона MEMS». IEEE Sensors Journal . 12 (5): 1033–1042. Bibcode : 2012ISenJ..12.1033M. doi : 10.1109/jsen.2011.2173188. S2CID  44030488.
55. Shabestari, NP (2019). «Изготовление простого и легкого в изготовлении пьезоэлектрического привода и его использование в качестве фазовращателя в цифровой интерферометрии спекл-структур». Журнал оптики . 48 (2): 272–282. doi :10.1007/s12596-019-00522-4. S2CID  155531221.
56. Le Letty, R.; Barillot, F.; Lhermet, N.; Claeyssen, F.; Yorck, M.; Gavira Izquierdo, J.; Arends, H. (2001). «Механизм сканирования для ROSETTA/MIDAS от инженерной модели до летной модели». В Harris, RA (ред.). Труды 9-го Европейского симпозиума по космическим механизмам и трибологии, 19–21 сентября 2001 г., Льеж, Бельгия . ESA SP-480. Том 480. стр. 75–81. Bibcode : 2001ESASP.480...75L. ISBN 978-92-9092-761-7.
57. Simonsen, Torben R. (27 сентября 2010 г.). "Piezo in space". Electronics Business (на датском языке). Архивировано из оригинала 29 сентября 2010 г. Получено 28 сентября 2010 г.
58. "Микроактуатор второго поколения для лучшей точности позиционирования головы" (PDF) . Documents.westerndigital.com . Получено 10 марта 2022 г. .
59. «Превышение ожиданий по емкости, скорости и производительности» (PDF) . Seagate.com . Получено 10 марта 2022 г. .
60. «Разве не удивительно, как одна умная идея, один чип и интеллектуальный материал изменили мир тенниса?». Head.com. Архивировано из оригинала 22 февраля 2007 года . Получено 27 февраля 2008 года .
61. Балтачи, Волкан; Айваз, Озге Юнер; Юнсал, Эврим; Акташ, Ясемин; Балтаджи, Айсун; Турхан, Фериба; Озджан, Сарп; Зонмезер, Мурат (2009). «Эффективность интрацитоплазматической инъекции спермы в сочетании с пьезоэлектрической стимуляцией у бесплодных пар с полным отсутствием оплодотворения». Плодородный. Стерильный . 94 (3): 900–904. doi : 10.1016/j.fertnstert.2009.03.107 . ПМИД  19464000.
62. Manbachi, A. & Cobbold, RSC (2011). «Разработка и применение пьезоэлектрических материалов для генерации и обнаружения ультразвука». Ultrasound . 19 (4): 187–96. doi :10.1258/ult.2011.011027. S2CID  56655834.
63. Hoigne, DJ; Stubinger, S.; von Kaenel, O.; Shamdasani, S.; Hasenboehler, P. (2006). «Пьезоэлектрическая остеотомия в хирургии кисти: первые опыты с новой техникой». BMC Musculoskelet. Disord . 7 : 36. doi : 10.1186/1471-2474-7-36 . PMC 1459157. PMID  16611362 . 
64. Лабанца, М.; Аццола, Ф.; Винчи, Р.; Роделла, Л. Ф. (2008). «Пьезоэлектрическая хирургия: двадцать лет использования». Br. J. Oral Maxillofac. Surg . 46 (4): 265–269. doi :10.1016/j.bjoms.2007.12.007. PMID  18342999.
65. Синха, Дхирадж; Амаратунга, Гехан (2015). «Электромагнитное излучение при явном нарушении симметрии». Physical Review Letters . 114 (14): 147701. Bibcode : 2015PhRvL.114n7701S. doi : 10.1103/physrevlett.114.147701. PMID  25910163.
66. "Новое понимание электромагнетизма может сделать возможным создание "антенн на чипе"". cam.ac.uk. 2015-04-09. Архивировано из оригинала 2016-03-04.
67. Takefuji, Y. (апрель 2008 г.). «А если общественный транспорт не будет потреблять больше энергии?» (PDF) . Le Rail : 31–33. Архивировано из оригинала (PDF) 2021-01-15 . Получено 2018-12-15 .
68. Takefuji, Y. (сентябрь 2008 г.). Известные и неизвестные явления нелинейного поведения в мате сбора мощности и поперечно-волновом динамике (PDF) . международный симпозиум по нелинейной теории и ее приложениям. Архивировано из оригинала (PDF) 21.10.2020 . Получено 15.12.2018 .
69. Deutz, DB; Pascoe, J.-A.; van der Zwaag, S.; de Leeuw, DM; Groen, P. (2018). «Анализ и экспериментальная проверка показателя качества для пьезоэлектрических сборщиков энергии». Materials Horizons . 5 (3): 444–453. doi :10.1039/c8mh00097b. hdl : 10044/1/60608 . S2CID  117687945.
70. Ли, Сяофэн; Стрезов, Владимир (2014). «Моделирование потенциала сбора пьезоэлектрической энергии в образовательном здании». Преобразование энергии и управление . 85 : 435–442. doi :10.1016/j.enconman.2014.05.096.
71. "Goodyear пытается создать шину, генерирующую электричество". WIRED . 2015-03-12. Архивировано из оригинала 11 мая 2016 года . Получено 14 июня 2016 года .
72. Хайди Хупес (8 ноября 2013 г.). «Хорошие вибрации приводят к эффективному возбуждению в гибридных солнечных элементах». Gizmag.com. Архивировано из оригинала 11 ноября 2013 г. Получено 11 ноября 2013 г.
73. Shoaee, S.; Briscoe, J.; Durrant, JR; Dunn, S. (2013). «Акустическое улучшение характеристик фотоэлектрических устройств на основе полимера/наностержней ZnO». Advanced Materials . 26 (2): 263–268. doi :10.1002/adma.201303304. PMID  24194369. S2CID  40624518.

Дальнейшее чтение

• EN 50324 (2002) Пьезоэлектрические свойства керамических материалов и компонентов (3 части)
• ANSI-IEEE 176 (1987) Стандарт по пьезоэлектричеству
• IEEE 177 (1976) Стандартные определения и методы измерения для пьезоэлектрических вибраторов
• IEC 444 (1973) Основной метод измерения резонансной частоты и эквивалентного последовательного сопротивления кварцевых кристаллов методом нулевой фазы в пи-цепи
• IEC 302 (1969) Стандартные определения и методы измерения для пьезоэлектрических вибраторов, работающих в диапазоне частот до 30 МГц

Внешние ссылки

• Гаучи, Густав Х. (2002). Пьезоэлектрическая сенсорика . Springer. ISBN 978-3-540-42259-4.
• Пьезоэлектрические ячеистые полимерные пленки: изготовление, свойства и применение
• Микропривод на основе пьезодвигателя для записи нейронных сигналов
• Исследования новых пьезоэлектрических материалов
• Уравнения пьезоэлектрика
• Пьезо в медицинском дизайне
• Видеодемонстрация пьезоэлектричества
• Пакет учебно-методических материалов DoITPoMS – Пьезоэлектрические материалы
• PiezoMat.org – Онлайн-база данных по пьезоэлектрическим материалам, их свойствам и применению
• Типы пьезодвигателей
• Пьезо-теория и приложения