Ein genauerer Blick auf den piezoelektrischen Kristall
Einführung
Piezoelektrische Kristalle sind eine Klasse von kristallinen Materialien, die in der Lage sind, durch mechanische Beanspruchung Veränderungen in der Ladungsverteilung hervorzurufen und Reaktionen auf elektrische Felder zu erzeugen. Die einzigartigen Eigenschaften dieses Materials machen es in vielen Bereichen nützlich, insbesondere in der Sensortechnik und der Energieumwandlung. Das Hauptmerkmal besteht darin, dass sich piezoelektrische Kristalle verformen oder die Ladung umverteilen, wenn eine mechanische Spannung oder ein elektrisches Feld angelegt wird, was eine effiziente Umwandlung von elektrischer und mechanischer Energie ermöglicht. Mit dem technologischen Fortschritt erweitern sich die Anwendungsbereiche von piezoelektrischen Kristallen. Von intelligenten Materialien bis hin zu Technologien zur Energierückgewinnung bietet ihr innovatives Potenzial neue Möglichkeiten und Lösungen für die Industrie. Ein gründliches Verständnis der Eigenschaften und Anwendungen piezoelektrischer Kristalle ist daher unerlässlich, um die Richtung der modernen Technologie zu verstehen.
Was ist ein piezoelektrischer Kristall?
Ein piezoelektrischer Kristall ist ein nicht-zentrosymmetrischer Kristall. Wenn er einer mechanischen Kraft ausgesetzt wird, verformt er sich, was zu einer relativen Verschiebung der geladenen Plasmapunkte führt. Dies führt dazu, dass positive und negative gebundene Ladungen auf der Kristalloberfläche erscheinen. Wenn die äußere Kraft wegfällt, kehrt der Kristall in seinen ungeladenen Zustand zurück. Dieses Phänomen wird als piezoelektrischer Effekt bezeichnet.
Der piezoelektrische Kristall hat eine polare Achse mit einer Potenzialdifferenz an beiden Enden, die als Piezoelektrizität bezeichnet wird. Die Menge an Ladung, die durch eine auf einen Kristall ausgeübte Kraft erzeugt wird, ist direkt proportional zur Größe der äußeren Kraft. Wird umgekehrt ein elektrisches Feld an den Kristall angelegt, verformt sich der Kristall mechanisch in eine bestimmte Richtung; wird das angelegte elektrische Feld zurückgezogen, verschwindet die Verformung. Dieses Phänomen wird als inverser piezoelektrischer Effekt bezeichnet, der auch als Elektrostriktionseffekt bekannt ist.
Kristall (α-Quarz) ist ein bekannter piezoelektrischer Kristall. Bekannte piezoelektrische Kristalle sind Sphalerit, Calcit, Turmalin, roter Zinkit, GaAs, Bariumtitanat und seine abgeleiteten Strukturkristalle, KH2PO4, NaKC4H4O6-4H2O (Rosettensalz) und Tafelzucker.
Abb. 1 Natürliche Quarzkristalle
Kristallstrukturelle Merkmale von piezoelektrischen Kristallen
Piezoelektrische Kristalle haben in der Regel eine nicht-zentrosymmetrische Kristallstruktur. Gängige piezoelektrische Materialien wie Quarz (SiO₂), Bariumtitanat (BaTiO₃) und PZT-Keramik (Blei-Zirkonium-Titanat) fallen in diese Kategorie.
In einer nicht-zentrosymmetrischen Kristallstruktur heben sich die elektrischen Dipole (d. h. die Ladungszentren) nicht gegenseitig auf, so dass der gesamte Kristall ein elektrisches Nettodipolmoment aufweist. Die elektrischen Dipole (bestehend aus positiven und negativen Ladungszentren) im Inneren eines piezoelektrischen Kristalls sind in der Regel im natürlichen Zustand zufällig verteilt und weisen keine makroskopische Polarisation auf. Durch eine Polarisationsbehandlung (Erhitzen über die Curie-Temperatur, Anlegen eines starken elektrischen Feldes und anschließendes Abkühlen) können die elektrischen Dipole in Gegenwart eines angelegten elektrischen Feldes so umgeordnet werden, dass sie sich in Richtung des elektrischen Feldes ausrichten, wodurch das Material einen dauerhaft polarisierten Zustand erhält.
Abb. 2 Kristallstruktur von Quarz (SiO2)
Grundlagen des piezoelektrischen Phänomens
Wenn ein piezoelektrischer Kristall mechanisch beansprucht wird (z. B. durch Zusammendrücken oder Dehnen), führen kleine Verschiebungen der elektrischen Dipole im Inneren des Kristalls zu einer Umverteilung der Ladungszentren, wodurch eine Ladung an der Oberfläche des Kristalls entsteht. Diese Ladungsverteilung erzeugt eine Potenzialdifferenz, die gemessen und als piezoelektrische Spannung ausgedrückt werden kann. Dieser Prozess der Ladungserzeugung durch Druck ist der positive piezoelektrische Effekt.
Wenn ein elektrisches Feld an einen piezoelektrischen Kristall angelegt wird, ordnen sich die elektrischen Dipole im Inneren des Kristalls in Reaktion auf das elektrische Feld neu an oder drehen sich, was zu einer mechanischen Verformung des Kristalls führt. Diese Verformung kann zu einer mechanischen Bewegung führen, z. B. in einem piezoelektrischen Antrieb. Dieses Phänomen wird als inverser piezoelektrischer Effekt bezeichnet.
Abb. 3 Piezoelektrischer Effekt
Er wird hauptsächlich durch die Umordnung der elektrischen Dipole und die Kopplung von Spannung und elektrischem Feld verursacht. Die Umordnung der elektrischen Dipole findet hauptsächlich oberhalb der Curie-Temperatur statt, wenn die Kristallstruktur des piezoelektrischen Materials eine freie Rotation der elektrischen Dipole ermöglicht. Wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, richten sich die elektrischen Dipole entlang der Richtung des elektrischen Feldes aus. Beim Abkühlen wird die Ausrichtungsrichtung der elektrischen Dipole fixiert, wodurch das Material eine makroskopische Polarisierung aufweist. Die Kopplungswirkung von Spannung und elektrischem Feld zeigt sich darin, dass bei mechanischer Spannung die Kristallstruktur geringfügig verändert wird und sich die relativen Positionen der elektrischen Dipole ändern, was zur Umverteilung der Ladungszentren und zur Erzeugung elektrischer Ladungen führt; bei Anlegen eines elektrischen Feldes führt die Neuanordnung der elektrischen Dipole zur Verformung der Kristallstruktur und zur Erzeugung mechanischer Dehnungen.
Polarisierung von piezoelektrischen Kristallen
Was ist Polarisierung?
Bei der Polarisierung von piezoelektrischen Kristallen werden die elektrischen Dipole in einem piezoelektrischen Material durch Anlegen eines starken elektrischen Feldes in eine bestimmte Richtung ausgerichtet. Dieser Prozess verleiht dem Material die Fähigkeit, den piezoelektrischen Effekt zu erlangen und seine piezoelektrischen Eigenschaften zu maximieren.
Abb. 4 Keramische Polarisierung
Schritte der Polarisationsbehandlung
1. Vorbereitung der Materialien: Piezoelektrische Materialien (z. B. Bariumtitanat, PZT-Keramik usw.) werden in der gewünschten Form und Größe vorbereitet.
2. Erhitzen: Erhitzen des Materials über seine Curie-Temperatur. Die Curie-Temperatur ist die Temperatur, bei der das Material von einer ferroelektrischen Phase in eine cis-elektrische Phase übergeht. Bei dieser Temperatur befinden sich die elektrischen Dipole im Material in einem zufällig orientierten Zustand.
3. Angelegtes elektrisches Feld: Ein starkes elektrisches Feld (in der Regel einige tausend Volt pro Millimeter) wird bei hoher Temperatur an das Material angelegt. Dieses elektrische Feld bewirkt, dass sich die elektrischen Dipole im Inneren des Materials neu anordnen und in Richtung des elektrischen Feldes ausrichten.
4. Abkühlung: Das Material wird unter Beibehaltung des elektrischen Feldes unter die Curie-Temperatur abgekühlt. Während der Abkühlung bleiben die elektrischen Dipole entlang der Richtung des elektrischen Feldes ausgerichtet, was zu einem dauerhaft polarisierten Zustand des Materials führt.
5. Aufhebung deselektrischen Feldes: Nachdem das Material auf Raumtemperatur abgekühlt ist, kann das äußere elektrische Feld entfernt werden, wodurch das Material permanente piezoelektrische Eigenschaften erhält.
Prinzip der Polarisationsverarbeitung
Wenn das Material über der Curie-Temperatur liegt, befindet sich das piezoelektrische Material in der cis-Phase, und die elektrischen Dipole können sich frei drehen und neu anordnen. Zu diesem Zeitpunkt, um das elektrische Feld zu stärken, so dass der elektrische Dipol entlang der Richtung des elektrischen Feldes Ausrichtung, die Bildung einer einheitlichen Polarisationsrichtung. Nachdem die gewünschte Polarisationsrichtung erreicht ist, wird die Temperatur gesenkt, um eine Abkühlung zu ermöglichen. Durch die Abkühlung wird die Ausrichtung der Dipole fixiert, so dass sie in Abwesenheit eines äußeren elektrischen Feldes polarisiert bleiben.
Die Bedeutung der Polarisationsbehandlung
Die Polarisationsbehandlung ist entscheidend für die Leistung piezoelektrischer Materialien. Unpolarisierte Materialien weisen keine nennenswerten piezoelektrischen Effekte auf, und die piezoelektrischen Eigenschaften (z. B. der piezoelektrische Koeffizient) von polarisierten Materialien werden erheblich verbessert, so dass sie mechanische und elektrische Energie effizient umwandeln können. Durch die Polarisierung können piezoelektrische Materialien ihre überragende Leistung in Anwendungen wie Sensoren, Aktoren und elektronischen Komponenten erzielen.
Gängige piezoelektrische Materialien und ihre Anwendungen
1. Quarz
Quarz ist ein weit verbreiteter natürlicher piezoelektrischer Kristall, der sich durch seine Stabilität und hohe Leistungsfähigkeit in vielen Bereichen auszeichnet. Seine chemische Zusammensetzung für das hexagonale Kristallsystem von Siliziumdioxid (SiO2), das Aussehen der allgemeinen farblosen transparenten Kristall. Der niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient (gewöhnlicher Quarz hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ca. 0,5*10^-6/°C) und der hohe Qualitätsfaktor (Quarz hat einen Qualitätsfaktor von ca. 115*1000) ermöglichen es Quarz, sich in Hochfrequenz-Oszillatoren und -Filtern auch bei relativ niedrigen piezoelektrischen Koeffizienten auszuzeichnen. Quarz hat eine ausgezeichnete chemische und mechanische Stabilität und behält seine piezoelektrischen Eigenschaften über einen großen Temperaturbereich bei.
Quarzkristalle werden in der Regel sowohl natürlich abgebaut als auch synthetisch hergestellt. Als natürliches Mineral sind Quarzkristalle relativ leicht und kostengünstig zu gewinnen. Synthetischer Quarz kann oft verwendet werden, um hohe Reinheits- und Größenanforderungen zu erfüllen. Das Schneiden und Verarbeiten von Quarzkristallen kann genau gesteuert werden, um eine optimale Leistung in der Anwendung zu gewährleisten. Unterschiedliche Schnittrichtungen wirken sich auf die piezoelektrischen Eigenschaften von Quarz aus, z. B. AT-Schnitt und BT-Schnitt.
Quarzkristalloszillatoren werden in elektronischen Geräten wie Quarzuhren, Computern und Mobiltelefonen verwendet, um genaue Zeitangaben zu liefern. Filter aus Quarzkristallen können in drahtlosen Kommunikationsgeräten eingesetzt werden, um die Qualität und Stabilität der Signalübertragung zu gewährleisten. Quarzkristalle werden auch in Drucksensoren, Beschleunigungsmessern und Mikrofonen verwendet, um mechanische Schwingungen in elektrische Signale umzuwandeln, die in einer Vielzahl von industriellen Automatisierungs-, Luft- und Raumfahrt- und Audiogeräten zum Einsatz kommen.
Zu den Anwendungen für Quarz in Geräten mit akustischen Oberflächenwellen (SAW) gehören SAW-Filter und SAW-Sensoren für die Signalverarbeitung und Umweltüberwachung. In optischen Geräten werden Quarzkristalle zur Herstellung von optischen Modulatoren, Prismen und Linsen verwendet. In Ultraschallgeräten werden Quarzkristall-Ultraschallwandler für die medizinische Diagnostik und für industrielle Tests verwendet. Im Bereich der Mess- und Prüfgeräte werden Quarzkristalle als Standardfrequenzquellen in Frequenzmessgeräten und Signalgeneratoren verwendet. Quarz hat aufgrund seiner hohen Stabilität, seiner hohen Präzision und seiner geringen Kosten eine unverzichtbare Stellung in der modernen Technik und Industrie.
Abb. 5 Quarzkristall-Filter
2 Bariumtitanat
Bariumtitanat (BaTiO3), normalerweise farblose oder weiße Kristalle, hat eine Chalkogenidstruktur (mit verschiedenen kristallinen Phasen bei unterschiedlichen Temperaturen, wie tetragonal, kubisch und hexagonal). Die piezoelektrischen Eigenschaften von Bariumtitanat sind auf den kristallinen Phasenübergang und die Symmetriebrechung in seiner Chalkogenidstruktur aufgrund von Temperaturänderungen zurückzuführen. Bariumtitanat behält seine piezoelektrischen Eigenschaften über einen weiten Temperaturbereich hinweg bei und eignet sich daher für den Einsatz unter verschiedenen Umgebungsbedingungen.
Die hohen piezoelektrischen Konstanten von Bariumtitanat (d31 ist etwa -80 x 10^-12 C/N, während d33 etwa 190 x 10^-12 C/N beträgt) verleihen ihm eine ausgezeichnete Leistung in vielen Anwendungen. Die hohe Dielektrizitätskonstante von Bariumtitanat verleiht ihm eine hohe Kapazität bei Kondensatoranwendungen. Bei Raumtemperatur beträgt seine natürliche Dielektrizitätskonstante etwa 1200.
In elektronischen Geräten wird Bariumtitanat zur Herstellung von keramischen Vielschichtkondensatoren (MLCCs) verwendet, die eine hohe Kapazität und geringe Größe aufweisen und in Smartphones, Computern und Haushaltsgeräten weit verbreitet sind. Im Bereich der Sensorik wird Bariumtitanat zur Herstellung von Drucksensoren und Beschleunigungssensoren verwendet, die in der industriellen Automatisierung, in medizinischen Geräten und in der Automobilelektronik zum Einsatz kommen.
Bariumtitanat wird auch bei der Herstellung von piezoelektrischen Aktoren verwendet, die unter Spannung eine mechanische Verformung erzeugen und in Präzisionspositionierungssystemen, mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) und bei der optischen Ausrichtung eingesetzt werden. Eine weitere wichtige Anwendung für Bariumtitanat sind Ultraschallwandler, die in der medizinischen Ultraschalldiagnostik, der zerstörungsfreien Prüfung in der Industrie und in Ultraschallreinigungsgeräten eingesetzt werden.
Bariumtitanat wird auch in piezoelektrischen Filtern und Resonatoren in drahtlosen Kommunikationssystemen verwendet, um die Signalklarheit und Übertragungsqualität zu gewährleisten. Darüber hinaus werden die piezoelektrischen Eigenschaften von Bariumtitanat genutzt, um piezoelektrische Energiegewinnungsgeräte zu entwickeln, die mechanische Vibrationen oder kinetische Energie aus der Umgebung in elektrische Energie umwandeln, um Geräte mit geringem Stromverbrauch zu betreiben.
Bariumtitanat findet auch Anwendung in elektroakustischen Wandlern wie Lautsprechern und Mikrofonen, die elektrische Signale in Schallwellen umwandeln oder umgekehrt. Zu seinen Anwendungen in medizinischen Geräten gehören piezoelektrisch angetriebene medizinische Instrumente wie Mikropumpen und Präzisionssysteme zur Verabreichung von Medikamenten. Aufgrund seiner hohen piezoelektrischen Konstante und guten Stabilität spielt Bariumtitanat eine wichtige Rolle in der modernen Elektronik, Kommunikation, Medizin und industriellen Automatisierung.
Abb. 6 Keramische Mehrschichtkondensatoren
3 Blei-Zirkonat-Titanat (PZT)
Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) ist ein sehr wichtiges und weit verbreitetes piezoelektrisches Keramikmaterial. Die chemische Formel lautet Pb(ZrₓTi₁₋ₓ)O₃, und die Struktur von PZT kann bei verschiedenen Zr/Ti-Verhältnissen variiert werden, einschließlich der Chalkosit-Struktur. PZT durchläuft bei unterschiedlichen Temperaturen Phasenübergänge (z. B. von tetragonalen zu kubischen Phasen), und diese Übergänge beeinflussen seine piezoelektrischen Eigenschaften.
In Ultraschallgeräten wird PZT zur Herstellung von Wandlern für die medizinische Ultraschalldiagnostik, für die zerstörungsfreie industrielle Prüfung und für Unterwassersonarsysteme verwendet. Im Bereich der Sensorik wird der piezoelektrische Effekt von PZT zur Herstellung von Druck- und Beschleunigungssensoren für Anwendungen in der industriellen Automatisierung, in medizinischen Geräten, in Sicherheitssystemen für Kraftfahrzeuge und in der Erdbebenüberwachung genutzt.
Piezoelektrische Aktoren aus PZT erzeugen unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes mechanische Verformungen und werden für die Präzisionspositionierung, optische Anpassungen und die Feinsteuerung von Bewegungen in Druckgeräten und Mikroskopen verwendet. Darüber hinaus werden PZT-Materialien als piezoelektrische Filter und Resonatoren in drahtlosen Kommunikationssystemen eingesetzt, um die Klarheit und Qualität der Signale zu gewährleisten.
Beim Energy Harvesting wandelt PZT mechanische Energie oder Schwingungsenergie in der Umgebung in elektrische Energie um, um drahtlose Sensornetzwerke und tragbare Geräte zu versorgen. PZT wird auch für die Herstellung von Lautsprechern und Mikrofonen verwendet, die elektrische Signale in Schallwellen umwandeln oder umgekehrt. Aufgrund seiner hohen piezoelektrischen Konstante und seines hohen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten spielt es eine wichtige Rolle in den Bereichen der modernen Elektronik, Kommunikation, Medizin und industriellen Automatisierung.
Abb. 7 Piezoelektrische Blei-Zirkonat-Titanat-Keramikplatte
4 Zinkoxid (ZnO)
Zinkoxid hat eine hexagonale Wurtzitstruktur, eine nicht-zentrosymmetrische Struktur, die ihm piezoelektrische Eigenschaften verleiht. DieZn²⁺- und O²- Ionenin der hexagonalen Wurtzitstruktur erzeugen unter Spannung ein elektrisches Dipolmoment, was zu einem piezoelektrischen Effekt führt. Dieses Material hat eine hohe piezoelektrische Konstante und einen guten elektro-mechanischen Kopplungskoeffizienten.
Zinkoxid (ZnO) als piezoelektrischer Kristall findet aufgrund seiner hohen piezoelektrischen Konstante, seiner hohen Empfindlichkeit und seiner guten chemischen Stabilität in verschiedenen Bereichen Anwendung. Im Bereich der Sensoren wird ZnO zur Herstellung von Gassensoren und Drucksensoren verwendet, die in der industriellen Automatisierung und der Unterhaltungselektronik weit verbreitet sind.
Im Bereich der Aktuatoren wird Zinkoxid in Aktuatoren für mikroelektromechanische Systeme (MEMS) und in akustischen Geräten für eine präzise Positionierung und eine hochqualitative Audioausgabe verwendet. Die piezoelektrischen Eigenschaften von Zinkoxid werden auch zur Energiegewinnung genutzt, und zwar durch Nanogeneratoren und piezoelektrische Energiesammler, die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln, um Geräte mit geringem Stromverbrauch zu betreiben.
Darüber hinaus wird Zinkoxid als transparentes Elektrodenmaterial in optoelektronischen Geräten, Leuchtdioden (LEDs) und Photodetektoren verwendet, um die photoelektrische Umwandlungseffizienz zu verbessern. Zinkoxid-Nanomaterialien werden auch in Biosensoren zum Nachweis biomolekularer und zellulärer Aktivitäten verwendet, die in der medizinischen Diagnostik und biologischen Forschung weit verbreitet sind. Seine ausgezeichneten piezoelektrischen, optoelektronischen und chemischen Eigenschaften machen Zinkoxid zu einem wertvollen Werkstoff für moderne Elektronik-, Kommunikations-, Medizin- und Industrieautomatisierungsanwendungen.
Abb. 8 Zinkoxid-Varistoren
5 Lithiumniobat (LiNbO₃)
Lithiumniobat (LiNbO₃) ist ein wichtiges piezoelektrisches Kristallmaterial, das aufgrund seiner hervorragenden piezoelektrischen, elektrooptischen, nichtlinearen optischen und akustisch-optischen Eigenschaften in vielen High-Tech-Bereichen eingesetzt wird. Lithiumniobat hat ein tetragonales Kristallsystem mit Chalkogenid-Struktur. Die nicht-zentrale Symmetrie dieser Struktur verleiht ihm piezoelektrische und elektrooptische Eigenschaften, und die relative Verschiebung von Lithium- und Niob-Ionen im Gitter unter Spannung führt zur Verschiebung der positiven und negativen Ladungszentren.
Lithiumniobat hat hohe piezoelektrische Konstanten und elektromechanische Kopplungskoeffizienten und eignet sich daher hervorragend für viele Anwendungen. Als piezoelektrischer Kristall hat Lithiumniobat (LiNbO₃) aufgrund seiner hervorragenden piezoelektrischen, elektrooptischen, akustooptischen und nichtlinearen optischen Eigenschaften ein breites Anwendungsspektrum in verschiedenen Bereichen.
Aus Lithiumniobat lassen sich elektrooptische Modulatoren und Wellenleiter in optischen Geräten herstellen, die in der optischen Kommunikation und der integrierten Optik weit verbreitet sind. In akustooptischen Geräten wird Lithiumniobat in akustooptischen Modulatoren und akustooptischen Verzögerungsleitungen verwendet, die zur Modulation und Verarbeitung von Lichtstrahlen und Hochfrequenzsignalen eingesetzt werden.
Im Bereich der Sensorik sind Beschleunigungsmesser und Drucksensoren aus Lithiumniobat in der Luft- und Raumfahrt, in Sicherheitssystemen für Kraftfahrzeuge, bei der Erdbebenüberwachung und in der industriellen Automatisierung weit verbreitet. Piezoelektrische Filter und Resonatoren aus Lithiumniobat werden in drahtlosen Kommunikationssystemen zur Auswahl und Steuerung von Frequenzen verwendet, um die Klarheit und Qualität der Signale zu gewährleisten.
In Lasergeräten werden die nichtlinearen optischen Eigenschaften von Lithiumniobat bei der Herstellung von Frequenzvervielfachern und optischen parametrischen Oszillatoren genutzt, um die Modulation der Laserfrequenz und die Anpassung der Wellenlänge zu ermöglichen. Darüber hinaus findet Lithiumniobat wichtige Anwendungen in der Medizin und Biotechnologie, z. B. in medizinischen Ultraschallgeräten und Biosensoren, die eine hochpräzise Ultraschallbildgebung und den Nachweis von Biomolekülen ermöglichen.
Seine hohe piezoelektrische Konstante, seine hervorragende elektrooptische Wirkung und seine chemische Stabilität machen Lithiumniobat zu einem wertvollen Werkstoff für moderne Anwendungen in den Bereichen Elektronik, Kommunikation, Optik, Medizin und industrielle Automatisierung.
Abb. 9 Kristallstruktur von Lithiumniobat
6 Lithiumtantalat (LiTaO₃)
Lithiumtantalat (LiTaO₃) ist ein wichtiges piezoelektrisches Kristallmaterial, das aufgrund seiner hervorragenden piezoelektrischen, elektrooptischen, akustooptischen und nichtlinearen optischen Eigenschaften in vielen High-Tech-Bereichen eingesetzt wird. Lithiumtantalat hat eine Calcitstruktur mit einem dreiteiligen Kristallsystem, und diese nicht-zentrosymmetrische Struktur verleiht ihm piezoelektrische, elektrooptische und nichtlineare optische Eigenschaften. Lithiumtantalat hat eine hohe piezoelektrische Konstante und einen hohen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten, wodurch mechanische Energie effektiv in elektrische Energie und umgekehrt umgewandelt werden kann.
Als piezoelektrischer Kristall hat Lithiumtantalat (LiTaO₃) aufgrund seiner hervorragenden piezoelektrischen, elektrooptischen, akustooptischen und nichtlinearen optischen Eigenschaften ein breites Anwendungsspektrum in verschiedenen Bereichen.
In optischen Geräten wirdLiTaO₃ zur Herstellung von elektro-optischen Modulatoren und optischen Wellenleitern verwendet, die in der optischen Kommunikation und der integrierten Optik weit verbreitet sind. In akustooptischen Geräten wird Lithiumtantalat in akustooptischen Modulatoren und akustooptischen Verzögerungsleitungen verwendet, die zur Modulation und Verarbeitung von Lichtstrahlen und Hochfrequenzsignalen eingesetzt werden.
In der Sensorik sind Beschleunigungs- und Drucksensoren auf Lithiumtantalatbasis in der Luft- und Raumfahrt, in Sicherheitssystemen für Kraftfahrzeuge, bei der Erdbebenüberwachung und in der industriellen Automatisierung weit verbreitet. Die piezoelektrischen Filter und Resonatoren von Lithiumtantalat sind in drahtlosen Kommunikationssystemen unerlässlich, um Frequenzen auszuwählen und zu steuern und so die Klarheit und Qualität der Signale zu gewährleisten.
Die nichtlinearen optischen Eigenschaften von Lithiumtantalat sind von entscheidender Bedeutung für Lasergeräte, insbesondere für die Herstellung von Frequenzvervielfachern und optischen parametrischen Oszillatoren. Diese Geräte ermöglichen die Modulation der Laserfrequenz und die Anpassung der Wellenlänge. Darüber hinaus wird Lithiumtantalat in der Medizin und Biotechnologie eingesetzt, z. B. in medizinischen Ultraschallgeräten und Biosensoren, die eine hochpräzise Ultraschallbildgebung und biomolekulare Erkennung ermöglichen.
Seine robuste piezoelektrische Konstante, seine überragende elektrooptische Wirkung und seine ausgezeichnete chemische Stabilität machen Lithiumtantalat für moderne Anwendungen in den Bereichen Elektronik, Kommunikation, Optik, Medizin und industrielle Automatisierung unverzichtbar.
Abb. 10 Lithiumtantalat-Kristall
Schlussfolgerung
Piezoelektrische Kristalle haben aufgrund ihrer besonderen Mikrostruktur die Funktion, mechanische und elektrische Energie ineinander umzuwandeln. Die Entdeckung und Anwendung piezoelektrischer Kristalle wie Quarz, Lithiumniobat und Lithiumtantalat haben nicht nur die Richtung des modernen wissenschaftlichen und technologischen Fortschritts tiefgreifend beeinflusst, sondern auch das große Potenzial der Materialwissenschaft bei der Lösung von Problemen der realen Welt gezeigt.
Angesichts der steigenden Nachfrage nach neuen Materialeigenschaften werden weitere Innovationen in der piezoelektrischen Kristalltechnologie die Grenzen der menschlichen Technologie weiter verschieben und unserer Gesellschaft mehr Innovation und Fortschritt bringen. Stanford Advanced Materials (SAM) steht an vorderster Front, wenn es darum geht, hochwertige piezoelektrische Materialien zu liefern, um diesen wachsenden technologischen Bedarf zu decken.
Referenzen:
[1] Nogueira A E F ,Campos B V R ,Nascimento D C P J , et al.Piezoelectric temperature acoustic sensor of LiNbO3 crystal fibers operating at radio frequencies[J].Journal of Crystal Growth,2024,643127799-127799.
Weiterführende Lektüre:
