Пьезоэлектрические материалы

Используемые в промышленности пьезоэлектрические материалы можно разделить на три группы:

1) Пьезоэлектрические кристаллы, обычно монокристаллы с совершенной структурой.

2) Материалы с поликристаллической структурой перовскитов, в которых пьезоэлектрические свойства появляются в результате поляризации (в сильном поле происходит упорядочивание сегнетоэлектрических доменов). Могут быть получены в виде пленок.

3) Пьезоэлектрические полярные полимеры, в которых необходимая анизотропия и формирование пьезоэлектрических свойств происходит при механическом вытягивании материала в присутствии сильного электрического поля.

Кварцевый кристалл – это диоксид кремния SiO₂, который может существовать в разных формах, в том числе монокристаллической (исторически - горный хрусталь). На практике используют так называемую α – модификацию кварца (при 573 ⁰С она переходит в β – модификацию, затем при 870 ⁰С образуется α – тридолит, а свыше 1470 ⁰С – α - кристобалит). При 1710 ⁰С кварц плавится.

Материал стоек к воде и многим кислотам, твердость порядка 7 (по Моосу), коэффициент теплового расширения (8-13,4)* 10^-6 1/К в зависимости от среза. Хорошо работает как при низких, так и высоких температурах (до 573 ⁰С).

В технике используется как природный, так и синтетический кварц. В природе встречаются кристаллы массой от долей грамма до нескольких тонн (используют в технике обычно кристаллы массой 200-300г). Идеальные кристаллы встречаются редко.

Синтетические кристаллы кварца выращивают гидротермальным методом из водного раствора при высоких давлениях и температурах. Это делается в стальных автоклавах, частично заполненных щелочными растворами (NaCO₃ или NaOH). В нижней части автоклава находится сырье кварца, которое растворяется в процессе роста кристаллов, а в верхнюю, более холодную часть, помещают затравки, на которую и высаживается избыточный диоксид кремния из пересыщенного раствора.

Температура внутри автоклава обычно 340-350 ⁰С, давление 100-130МПа, температурный градиент 5-30 Ксм^-1 .

Скорость роста очень мала – обычно несколько десятых мм/сутки, поэтому весь процесс длится от нескольких недель до года и более.

Затравка – пластины, толщиной 2-3 мм, иногда используют стержень.

Ниобат и танталат лития (LiNbO₃ и LiTaO₃). Это сегнетоэлектрики, а танталат лития проявляет также пироэлектрические свойства, оба кристалла используются в качестве электрооптических преобразователях на основе ПАВ. Точка плавления ниобата – 1260 ⁰С, танталата - 1560 ⁰С.

Монокристаллы этих материалов выращиваются из расплавов методом Чохральского. Выращивание идет в присутствии электрического поля.

Берлинит – (AlPO₄ – фосфат Al). Имеет такую же структуру, как и кварц, похож на кварц. В природе не встречается; выращивается гидротермальным способом. Кристаллическая структура аналогична кварцу. Работает до 581 ⁰С.

Отличия от кварца – сильнее выражены пьезоэлектрические свойства и большее значение коэффициента электромеханической связи (что важно).

Материалы (в основном, поликристаллические) типа А₂В₆, А₃В₅ (ZnS, CdS, ZnO, GAs) удачно сочетают ультразвуковые и полупроводниковые свойства. Наиболее интересный оксид цинка.

Их главная особенность – используются не столько объемные, сколько пленочные структуры, пригодные для возбуждения как объемных, так и поверхностных волн.

Монокристаллические слои ZnO можно вырастить эпитаксиальным способом на ориентирующей подложке из сапфира.