stringtranslate.com

Цирконат-титанат свинца

Цирконат-титанат свинца , также называемый титанатом свинца-циркония и обычно сокращенно PZT , представляет собой неорганическое соединение с химической формулой Pb[Zr x Ti 1− x ]O 3 (0 ≤ x ≤ 1). . Это керамический материал перовскита , который демонстрирует выраженный пьезоэлектрический эффект , что означает, что соединение меняет форму при приложении электрического поля. Он используется в ряде практических приложений, таких как ультразвуковые преобразователи и пьезоэлектрические резонаторы . Это белое или почти белое твердое вещество. [1]

Титанат свинца-циркония был впервые разработан около 1952 года в Токийском технологическом институте . По сравнению с титанатом бария , ранее открытым пьезоэлектрическим материалом на основе металлического оксида, титанат свинца-циркония проявляет большую чувствительность и имеет более высокую рабочую температуру. Пьезоэлектрическая керамика выбрана для приложений из-за ее физической прочности, химической инертности и относительно низкой стоимости производства. Керамика PZT является наиболее часто используемой пьезоэлектрической керамикой, поскольку она имеет еще большую чувствительность и более высокую рабочую температуру, чем другие пьезокерамики. [2] В последнее время наблюдается большой толчок к поиску альтернатив PZT из-за законодательства во многих странах, ограничивающего использование свинцовых сплавов и соединений в коммерческих продуктах.

Электрокерамические свойства

Будучи пьезоэлектриком, цирконат-титанат свинца создает напряжение (или разность потенциалов) на двух своих поверхностях при сжатии (полезно для сенсорных приложений) и физически изменяет форму при приложении внешнего электрического поля (полезно для актуаторов). [3] Относительная диэлектрическая проницаемость цирконата-титаната свинца может варьироваться от 300 до 20000 в зависимости от ориентации и легирования. [4]

Будучи пироэлектриком , этот материал создает разность потенциалов на двух своих поверхностях при изменении температурных условий; следовательно, цирконат-титанат свинца может использоваться в качестве датчика тепла. [5] Цирконат-титанат свинца также является сегнетоэлектриком , что означает, что он имеет спонтанную электрическую поляризацию ( электрический диполь ), которая может быть обращена в присутствии электрического поля. [6]

Материал имеет чрезвычайно большую относительную диэлектрическую проницаемость на морфотропной фазовой границе (МПГ) вблизи x  = 0,52. [7]

Некоторые формулы являются омическими , по крайней мере, до250 кВ/см (25 МВ/м ), после чего ток растет экспоненциально с напряженностью поля до достижения лавинного пробоя ; но цирконат-титанат свинца демонстрирует зависящий от времени диэлектрический пробой — пробой может произойти при постоянном напряжении через несколько минут или часов, в зависимости от напряжения и температуры, поэтому его диэлектрическая прочность зависит от временного масштаба, в течение которого она измеряется. [8] Другие формулы имеют диэлектрическую прочность, измеренную вДиапазон 8–16 МВ/м . [9]

Использует

Ультразвуковой преобразователь из цирконата-титаната свинца

Материалы на основе цирконата-титаната свинца являются компонентами керамических конденсаторов и актюаторов (трубок) СТМ / АСМ .

Цирконат-титанат свинца используется для изготовления ультразвуковых преобразователей и других датчиков и приводов , а также высококачественных керамических конденсаторов и чипов FRAM . Цирконат-титанат свинца также используется в производстве керамических резонаторов для опорного времени в электронных схемах. Противобликовые очки с PLZT защищают экипаж от ожогов и слепоты в случае ядерного взрыва. [10] Линзы PLZT могут стать непрозрачными менее чем за 150 микросекунд.

В коммерческих целях он обычно не используется в чистом виде, а легируется либо акцепторами, которые создают вакансии кислорода (анионов), либо донорами, которые создают вакансии металла (катионов) и способствуют движению доменных стенок в материале. В общем, акцепторное легирование создает твердый цирконат-титанат свинца, в то время как донорное легирование создает мягкий цирконат-титанат свинца. Твердый и мягкий цирконат-титанат свинца, как правило, различаются по своим пьезоэлектрическим константам. Пьезоэлектрические константы пропорциональны поляризации или электрическому полю, создаваемому на единицу механического напряжения, или, в качестве альтернативы, механической деформации, создаваемой на единицу приложенного электрического поля. В общем, мягкий цирконат-титанат свинца имеет более высокую пьезоэлектрическую константу, но большие потери в материале из-за внутреннего трения . В твердом цирконате-титанате свинца движение доменных стенок удерживается примесями, тем самым снижая потери в материале, но за счет уменьшенной пьезоэлектрической константы.

Разновидности

Одним из наиболее часто изучаемых химических составов является PbZr 0,52 Ti 0,48 O 3 . Повышенный пьезоэлектрический отклик и эффективность поляризации вблизи x  = 0,52 обусловлены увеличением числа допустимых состояний домена в MPB. На этой границе 6 возможных состояний домена из тетрагональной фазы ⟨100⟩ и 8 возможных состояний домена из ромбоэдрической фазы ⟨111⟩ энергетически одинаково выгодны, тем самым допуская максимум 14 возможных состояний домена. [11]

Подобно структурно схожим танталату свинца-скандия и титанату бария-стронция , цирконат-титанат свинца может использоваться для изготовления неохлаждаемых матричных инфракрасных датчиков изображения для термографических камер . Используются как тонкопленочные (обычно получаемые методом химического осаждения из паровой фазы ), так и объемные структуры. Формула используемого материала обычно приближается к Pb 1,1 (Zr 0,3 Ti 0,7 )O 3 (называемый цирконат-титанатом свинца 30/70). Его свойства могут быть изменены путем легирования его лантаном , в результате чего получается легированный лантаном титанат свинца-циркония ( цирконат-титанат свинца , также называемый титанатом свинца-лантана-циркония ) с формулой Pb 0,83 La 0,17 (Zr 0,3 Ti 0,7 ) 0,9575 O 3 (цирконат-титанат свинца 17/30/70). [12] [13]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Грегг, Дж. Марти; Унру, Ганс-Гюнтер (2016). «Сегнетоэлектрики». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . С. 1–26. doi :10.1002/14356007.a10_309.pub2. ISBN 978-3-527-30385-4.
  2. ^ "Что такое "титанат свинца-циркония"?". americanpiezo.com . APC International . Получено 29 апреля 2021 г. .
  3. ^ C., Steinem; A., Janshoff (2005). Энциклопедия аналитической науки (2-е изд.). Elsevier . С. 269–276. doi :10.1016/B0-12-369397-7/00556-2. ISBN 978-0-12-369397-6.
  4. ^ Кумари, Ниту; Монга, Шагун; Ариф, Модератор; Шарма, Нирадж; Сингх, Арун; Гупта, Винай; Виларинью, Паула М.; Шринивас, К.; Катияр, РС (30 января 2019 г.). «Высшая диэлектрическая проницаемость цирконата-титаната свинца, легированного никелем, Pb[(Zr0,52Ti0,48)(1-x) Nix]O3, керамика». Керамика Интернешнл . 45 (4): 4398–4407. doi : 10.1016/j.ceramint.2018.11.117 .
  5. ^ F., Wudy; C., Stock; HJ, Gores (2009). "МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ | Электрохимия: кварцевые микровесы". Энциклопедия электрохимических источников питания . Elsevier Science . стр. 660–672. doi :10.1016/B978-044452745-5.00079-4. ISBN 978-0-444-52745-5.
  6. ^ Перес-Томас, Амадор; Мингоранс, Альба; Таненбаум, Дэвид; Лира-Канту, Моника (2018), «Оксиды металлов в фотоэлектрической энергетике: полностью оксидные, ферроидные и перовскитные солнечные элементы», Будущее полупроводниковых оксидов в солнечных элементах следующего поколения , Elsevier, стр. 267–356, doi : 10.1016 /b978-0-12-811165-9.00008-9, ISBN 978-0-12-811165-9, получено 29.04.2024
  7. ^ Rouquette, J.; Haines, J.; Bornand, V.; Pintard, M.; Papet, Ph; Bousquet, C.; Konczewicz, L.; Gorelli, FA; Hull, S. (2004). "Настройка давления морфотропной фазовой границы в пьезоэлектрическом цирконате-титанате свинца". Physical Review B. 70 ( 1): 014108. Bibcode : 2004PhRvB..70a4108R. doi : 10.1103/PhysRevB.70.014108.
  8. ^ Moazzami, Reza; Hu, Chenming; Shepherd, William H. (сентябрь 1992 г.). "Электрические характеристики тонких пленок сегнетоэлектрического цирконата-титаната свинца для применения в DRAM" (PDF) . IEEE Transactions on Electron Devices . 39 (9): 2044. doi :10.1109/16.155876.
  9. ^ Андерсен, Б.; Ринггаард, Э.; Бове, Т.; Альбареда, А.; Перес, Р. (2000). «Характеристики пьезоэлектрических керамических многослойных компонентов на основе твердого и мягкого цирконата-титаната свинца». Труды Actuator 2000 : 419–422.
  10. ^ Катчен, Дж. Томас; Харрис, Джеймс О. младший; Лагуна, Джордж Р. (1975). "PLZT электрооптические затворы: применение" . Прикладная оптика . 14 (8): 1866–1873. Bibcode : 1975ApOpt..14.1866C. doi : 10.1364/AO.14.001866. PMID  20154933.
  11. ^ Рао, Р. Гоури Шанкар; Канагатхара, Н. (2015). "Цирконат-титанат свинца: пьезоэлектрический материал" (PDF) . Журнал химических и фармацевтических исследований . 7 (5): 921–923. ISSN  0975-7384.
  12. ^ Лю, В.; Цзян, Б.; Чжу, В. (2000). «Самосмещенный диэлектрический болометр из эпитаксиально выращенных многослойных тонких пленок Pb(Zr,Ti)O 3 и легированных лантаном Pb(Zr,Ti)O 3 ». Applied Physics Letters . 77 (7): 1047–1049. Bibcode :2000ApPhL..77.1047L. doi :10.1063/1.1289064.
  13. ^ Кабра, Хеманги; Деоре, HA; Пати, Пранита (2019). «Обзор передовых пьезоэлектрических материалов (BaTiO3, PZT)» (PDF) . Журнал новых технологий и инновационных исследований . 6 (4). ISSN  2349-5162.

Внешние ссылки