Пьезоэлектрические материалы и их использование

Рисунок 2.34. Форма кристалла кварца и его сечение.

Пьезоэлектрические свойства имеют много веществ, но практически используются только некоторые.

Прежде всего, это кварц (SiО₂). Пьезоэлектрические свойства присущи только β -кварцу до температуры 573 ⁰С. Кварц имеет форму шестигранной призмы (рис. 2.34). В кристаллах кварца выделяют три главных оси: X - электрическая; Y - механическая; Z - оптическая.

Пластины кварца, вырезанные перпендикулярно оси Z, не имеют прямого и обратного пьезоэффектов. Максимальный пьезоэффект имеют пластины, вырезанные перпендикулярно электрической оси Х.

Если взять плоскопараллельную пластину кварца, нанести на ее боковые поверхности металлические электроды и поместить в держатель, то будем иметь пьезоэлектрический резонатор с определенной резонансной частотой. Последняя зависит от толщины пластины и направления кристаллографического разреза. Преимуществом кварцевых резонаторов является очень большая добротность (до 10⁶-10⁷), что обеспечивает высокую частотную избирательность кварцевых резонаторов. Такие резонаторы используют для стабилизации частоты генераторов, в качестве фильтров.

Из других веществ следует отметить применение кристаллов турмалина (сложные алюмоборосиликаты), используемые для резонаторов на частотах больших, чем кварцевые резонаторы.

Значительную конкуренцию кварцу, превосходя его по добротности на больших частотах, представляют ниобат и танталат лития (LiNbО₃ и LiTaО₃). Но для того чтобы LiNbО₃ и LiTaО₃ имели пьезоэлектрические эффекты, их приводят в монодоменное состояние отжигом в сильном электрическом поле. Очень широко распространена, как пьезоэлектрик, сегнетокерамика (пьезокерамика). Ее изготовляют на основе твердых растворов PbZrО₃ - PbTiО₃ и обязательно поляризуют в сильном электрическом поле.

Такие материалы используют для построения мощных ультразвуковых излучателей для дефектоскопии, механической обработки материалов, гидроакустики. Из пьезокерамики изготовляют микрофоны, телефоны, громкоговорители, датчики давления, деформации, ускорений. Двойное превращение энергии используют для фильтров, линий задержки и пьезотрансформаторов. Последние позволяют получать большие напряжения и используются для питания электронно-лучевых трубок, счетчиков Гейгера и др.

Активные элементы оптических квантовых генераторов

Рубин — это так называемый драгоценный камень красного или розового цвета, очень твердый, тугоплавкий, химически инертный, с высокими оптиче­скими свойствами (показателем преломления). Природные рубины, как пра­вило, невелики и могут быть различной формы и размеров.

В радиоэлектронике в качестве активного тела в оптических квантовых генераторах стимулированного излучения (лазерах) применяют искусственные рубины, представляющие собой доста­точно большие монокристаллы А1₂О₃, в которых часть ионов алю­миния Аl³⁺ замещена ионами хрома Сг³⁺. Количеством хрома оп­ределяется цвет рубина. Розовый рубин содержит около 0,05 мас.%, красный—0,5 мас.% хрома. Для активных элемен­тов оптических квантовых генераторов применяют розовый рубин. Кристалл рубина обладает оптической анизотропией и имеет поч­ти кубическую симметрию, несколько искаженную вдоль одной из пространственных диагоналей, в результате чего истинная симметрия кристалла — ромбоэдрическая.

Искусственные кристаллы рубина обычно выращивают в пе­чах по методу Вернейля. По этому методу тщательно размельченный порошок окиси алюми­ния с добавкой Сг₂О₃ медленно падает в пламя водородно-кислородной горелки. Отдельные частички порошка, проходя че­рез пламя, расплавляются и за­тем кристаллизуются на затра­вочном кристалле, помещенном вне пламени. Полученную заго­товку отжигают, а потом обра­батывают, придавая ей необхо­димую форму и размеры. Высо­кокачественные кристаллы ру­бина могут быть получены и методом вытягивания из рас­плава.

Рубин является наиболее ос­военным в лазерной технике монокристаллом, пригодным для возбуждения стимулированного когерентного излучения. Вообще для этих целей могут быть использованы многие кристаллы, отображающие законы строгой повторяемости и порядка в про­странственном расположении частиц вещества с включением в их решетку активных атомов или ионов. Такие ионы могут быть получены у элементов с недостроенными внутренними элек­тронными оболочками, например элементы группы железа имеют недостроенную 3d-оболочку, лантаноиды — 4f-оболочку, актиноиды — 5f-оболочку.

Эти ионы и являются собственно активными, в то время как кристаллическая решетка основного материала выполняет роль матрицы. Вследствие экранирующего действия внешних электро­нов поле кристаллической решетки оказывает незначительное воз­действие на уровни энергии активных ионов, в результате чего такие кристаллы обладают узкими и сильными линиями люми­несценции в спектре излучения.

Кроме рубина в качестве материалов рабочих элементов лазера используют некоторые кристаллы, приведенные в таблице 2.4, а также различные стекла с присадками соответствующих активаторов. Из приведенных материалов наиболее перспективным является иттрийалюминиевый гранат (ИАГ), легированный неодимом. У него низкая пороговая энергия возбуждения при комнатной температуре, высокая механическая прочность и хорошая теплопроводность, что обеспечивает его надежность в лазерах, работающих в непрерывном и высокочастотном режимах.

Следует отметить, что создание оптически совершенных кристаллов с однородным распределением примесей как по сечению, так и по длине кристалла представляет значительную технологическую трудность и стоимость их довольно высока.