D33-Werte in piezoelektrischen Kristallen: Implikationen für praktische Anwendungen
1 Einleitung
Piezoelektrische Materialien können ein elektrisches Feld erzeugen, wenn sie durch eine äußere Kraft verformt werden, und sie verformen sich, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird. Dies ermöglicht die gegenseitige Umwandlung von mechanischer und elektrischer Energie und bietet somit ein breites Spektrum an Anwendungen in elektronischen Geräten und optoelektronischen Bereichen. Für piezoelektrische Materialien ist die piezoelektrische Konstante der gebräuchlichste und intuitivste Leistungsausdruck, der das Material für die mechanische Belastung oder das elektrische Feld und die Richtung des erzeugten elektrischen Feldes oder die Verformung der Größe der Beziehung widerspiegelt. Einer der am häufigsten verwendeten Charakterisierungswerte ist der d33-Wert, der in diesem Beitrag unter dem Gesichtspunkt seiner Beziehung zu den Eigenschaften und Anwendungen verschiedener piezoelektrischer Kristalle erörtert werden soll.
Abb. 1 Quarzkristalle und -plättchen
2 Überblick über den piezoelektrischen Effekt
2.1 Piezoelektrische Kristalle und der piezoelektrische Effekt
Piezoelektrische Kristalle sind kristalline Materialien, die einen piezoelektrischen Effekt haben. Der piezoelektrische Effekt ist ein physikalisches Phänomen, das auftritt, wenn bestimmte Materialien durch äußere Kräfte verformt werden, was zu einer Ladungstrennung innerhalb des Materials führt, wodurch an beiden Enden des Materials ein elektrisches Feld erzeugt wird. Umgekehrt verformt sich das Material mechanisch, wenn ein elektrisches Feld an diese Materialien angelegt wird. Der piezoelektrische Effekt tritt vor allem in bestimmten Kristallen ohne zentrosymmetrische Struktur auf, wie Bariumtitanat (BaTiO3), Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) und Quarz (SiO2).
2.2 Piezoelektrische Konstanten
Die piezoelektrischen Konstanten sind eine Reihe von Parametern, die die Fähigkeit eines piezoelektrischen Materials zur Umwandlung eines Motors unter mechanischer Belastung und elektrischem Feld charakterisieren. Sie sind die Schlüsselkoeffizienten, die elektrische und mechanische Größen miteinander verbinden und insbesondere die mechanische Verformung oder Ladungsverteilung eines Materials unter einem angelegten elektrischen Feld oder einer mechanischen Belastung widerspiegeln. Diese Konstanten werden in der Regel als dij, gij, eij usw. bezeichnet, wobei dij die gebräuchlichste ist.
1. dij-Konstante (Dehnungskonstante): Sie beschreibt das Verhältnis zwischen der Dehnung, die das Material unter der Wirkung eines angelegten elektrischen Feldes erzeugt, und der Stärke des elektrischen Feldes. I und j stehen für die Richtung des angelegten elektrischen Feldes und die Richtung der erzeugten Dehnung.
2. Die Konstante gij (Spannungskonstante) beschreibt die Beziehung zwischen dem elektrischen Feld, das von einem Material unter mechanischer Spannung erzeugt wird, und der Spannung. I und j stehen für die Richtung der angelegten mechanischen Spannung bzw. für die Richtung des erzeugten elektrischen Feldes.
3. Die eij-Konstante (Spannungs-Ladungs-Konstante) beschreibt die Beziehung zwischen der vom piezoelektrischen Material unter mechanischer Spannung erzeugten Ladungsdichte und der Spannung. I und j stehen für die Richtung der angelegten Spannung bzw. für die Richtung der erzeugten Ladung.
2.3 Konstante D33
Der Wert von d33 gibt die Proportionalität zwischen der vom Material in der Polarisationsrichtung (in der Regel 3-Richtung) erzeugten Dehnung und der Stärke des angelegten elektrischen Feldes an, wenn das elektrische Feld in dieser Richtung an das Material angelegt wird. Ein höherer d33-Wert bedeutet, dass das Material eine größere mechanische Dehnung erzeugen kann, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, oder ein stärkeres elektrisches Feld, wenn eine mechanische Spannung angelegt wird. Dies zeigt an, dass das Material bei der motorischen Umwandlung effizient ist und elektrische Energie in mechanische Energie oder mechanische Energie in elektrische Energie effizienter umwandeln kann.
Die Größe des d33-Wertes wirkt sich direkt auf die Leistung des piezoelektrischen Materials aus und beeinflusst dementsprechend die Wirksamkeit des piezoelektrischen Materials in Anwendungen. Je höher der d33-Wert bei piezoelektrischen Sensoren ist, desto empfindlicher und reaktionsfreudiger ist das Material, da der Sensor bei mechanischer Belastung oder Druck von außen ein deutlicheres elektrisches Signal erzeugen kann. Bei piezoelektrischen Aktoren können Materialien mit höheren d33-Werten größere Spannungen oder Verschiebungen erzeugen, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, wodurch sie sich für Anwendungen eignen, die eine präzisere Steuerung und eine hohe Ausgangsleistung erfordern. In piezoelektrischen Energiesammlern können Materialien mit hohen d33-Werten mechanische Energie in der Umgebung effizienter in elektrische Energie umwandeln und so die Effizienz der Energienutzung verbessern.
3 Faktoren, die die D33-Werte beeinflussen
3.1 Kristallstruktur
Die Symmetrie und die Gitterkonstanten des Kristalls haben einen wichtigen Einfluss auf den d33-Wert. Kristalle mit geringer Symmetrie (z. B. monoklin oder triklin) haben in der Regel höhere piezoelektrische Koeffizienten, da sie eine größere Gitterverzerrung zulassen. Größere Gitterkonstanten bedeuten tendenziell einen größeren verformbaren Raum, was die piezoelektrischen Eigenschaften verbessern kann.
Abb. 2 Kristalle mit Piezoelektrizität haben eine geringere Symmetrie
3.2 Materialzusammensetzung
Die Dotierung der verschiedenen Elemente in piezoelektrischen Materialien kann den d33-Wert erheblich beeinflussen. Bei PZT beispielsweise können die piezoelektrischen Eigenschaften durch Anpassung des Verhältnisses von Titan zu Zirkonium optimiert werden. Außerdem wirkt sich das stöchiometrische Verhältnis im Material auf den d33-Wert aus. Eine Abweichung vom idealen stöchiometrischen Verhältnis kann zu Kristalldefekten führen, die die piezoelektrischen Eigenschaften beeinträchtigen.
3.3 Verarbeitung
Die Sintertemperatur und -zeit von piezoelektrischen keramischen Werkstoffen beeinflussen deren Mikrostruktur und Korngröße, was sich wiederum auf den d33-Wert auswirkt. Geeignete Sinterbedingungen können die Korngröße optimieren und Korngrenzendefekte reduzieren. Die Polarisationsbehandlung ist ein wichtiger Schritt zur Verbesserung der piezoelektrischen Eigenschaften. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes bei hohen Temperaturen werden die Dipole im Inneren des Materials in dieselbe Richtung ausgerichtet, wodurch sich der d33-Wert verbessert.
3.4 Mikrostruktur
Die Korngröße hat einen erheblichen Einfluss auf den d33-Wert. Im Allgemeinen ist eine mittlere Korngröße (im Mikrometerbereich) günstig für die Verbesserung der piezoelektrischen Eigenschaften, während eine zu große oder zu kleine Korngröße zu einer Verringerung der d33-Werte führt. Korngrenzendefekte beeinflussen die piezoelektrischen Eigenschaften, und die Verringerung von Korngrenzendefekten trägt zur Verbesserung der d33-Werte bei. Spannungskonzentration und Ladungsakkumulation an Korngrenzen verringern die piezoelektrischen Eigenschaften.
3.5 Äußere Bedingungen
Die Temperatur hat einen erheblichen Einfluss auf den d33-Wert. Die meisten piezoelektrischen Materialien weisen optimale piezoelektrische Eigenschaften in der Nähe der Curie-Temperatur auf, aber der d33-Wert sinkt bei einer zu hohen oder zu niedrigen Temperatur. Externe mechanische Spannungen und Dehnungen können den d33-Wert ebenfalls beeinflussen. Bei einigen Materialien kann eine angemessene Vorspannung die piezoelektrischen Eigenschaften verbessern, eine zu starke Spannung kann jedoch zu Rissen oder zur Zersetzung des Materials führen.
3.6 Ferroelektrizität von Materialien
Die ferroelektrische Domänenstruktur eines piezoelektrischen Materials hat einen direkten Einfluss auf den d33-Wert. Eine größere Domänenwandbewegung verbessert die piezoelektrische Reaktion des Materials. Die Beziehung zwischen der Polarisationsrichtung und der Spannungsrichtung des Materials wirkt sich ebenfalls auf den d33-Wert aus, und die beste piezoelektrische Antwort wird in der Regel erzielt, wenn die Polarisationsrichtung mit der Spannungsrichtung übereinstimmt.
Abb. 3 Schematisches Diagramm der elektrischen Dipolanordnung und der Kurven der Elektrodeposition bei ferroelektrischen Phasenübergängen
3.7 Elektrisches Feld und Frequenz
Die Stärke und Richtung des angelegten elektrischen Feldes haben einen erheblichen Einfluss auf den d33-Wert. Ein geeignetes elektrisches Feld kann die piezoelektrische Reaktion eines Materials verstärken. Die Frequenz des angelegten elektrischen Feldes beeinflusst ebenfalls den d33-Wert, wobei bestimmte Materialien bei bestimmten Frequenzen resonanzverstärkte piezoelektrische Eigenschaften aufweisen.
4 Eigenschaften und Anwendungen gängiger piezoelektrischer Materialien
4.1 Quarz
Quarz (SiO2) ist ein natürlich vorkommendes piezoelektrisches Material, das in verschiedenen elektronischen und optischen Geräten weit verbreitet ist. Es ist ein hexagonales Kristallsystem mit hoher Symmetrie, und seine piezoelektrischen Eigenschaften hängen von der Kristallorientierung und der Spannungsrichtung ab. Quarz hat typischerweise d33-Werte von etwa 2 - 3 pC/N, was relativ niedrig ist. Trotz des relativ niedrigen Wertes der piezoelektrischen Konstante d33 von Quarz sind seine einzigartigen physikalischen Eigenschaften und seine ausgezeichnete Stabilität in bestimmten Bereichen unersetzlich.
Quarz verfügt über eine ausgezeichnete physikalische und chemische Stabilität und ist in der Lage, seine piezoelektrischen Eigenschaften unter einer Vielzahl von Umgebungsbedingungen stabil zu halten. Darüber hinaus ist Quarz aufgrund seines hohen Qualitätsfaktors anderen Materialien in Oszillatoren und Resonatoren überlegen und bietet eine höhere Frequenzstabilität und einen geringeren Energieverlust. Der niedrige Temperaturkoeffizient von Quarz sorgt für Frequenzstabilität über einen großen Temperaturbereich, ein wichtiger Vorteil bei hochpräzisen Anwendungen. Aufgrund dieser Eigenschaften wird Quarz häufig verwendet, obwohl er einen relativ niedrigen d33-Wert hat.
Quarzkristalle werden häufig in Oszillatoren und Resonatoren in elektronischen Geräten verwendet, um stabile Frequenzreferenzen zu liefern. Der hohe Qualitätsfaktor und der niedrige Temperaturkoeffizient von Quarz gewährleisten Frequenzstabilität und geringe Verluste über lange Zeiträume. Quarz wird auch in piezoelektrischen Sensoren zur Messung von Kraft, Druck und Beschleunigung verwendet. Quarzsensoren zeichnen sich durch Genauigkeit und Langzeitstabilität aus und eignen sich daher für hochpräzise Messungen und Langzeitüberwachung. Quarz wird auch in optischen Modulatoren und faseroptischen Kommunikationsgeräten verwendet. Die hohe Transparenz und die geringe Absorption von Quarz verleihen ihm wichtige Anwendungen in der Optik, insbesondere in der Laser- und Glasfaserkommunikation.
Abb. 4 Quarz-Wafer-Ringe
4.2 Bariumtitanat
Bariumtitanat (BaTiO3) ist ein gängiges piezoelektrisches keramisches Material, das aufgrund seiner ausgezeichneten piezoelektrischen Eigenschaften und hohen d33-Werte in vielen Anwendungen große Beachtung gefunden hat. Bariumtitanat hat eine Chalkogenidstruktur (ABO3), die in einem bestimmten Temperaturbereich eine gute Piezoelektrizität und Ferroelektrizität aufweist. Der d33-Wert für Bariumtitanat liegt typischerweise bei 100 - 200 pC/N. Dies ist ein relativ hoher Wert. Dieser relativ hohe Wert deutet darauf hin, dass Bariumtitanat in der Lage ist, bei Anlegen eines elektrischen Feldes erhebliche mechanische Spannungen zu erzeugen.
Bariumtitanat mit einem hohen d33-Wert kann die Motorumwandlungseffizienz des Materials erheblich verbessern. Bariumtitanat besitzt in einem bestimmten Temperaturbereich Ferroelektrizität, so dass es über einen weiten Temperaturbereich stabile piezoelektrische Eigenschaften beibehalten kann. Bariumtitanatwerkstoffe weisen eine ausgezeichnete chemische Stabilität und mechanische Festigkeit auf, so dass sie sich für einen langen Einsatz in rauen Umgebungen eignen. Bariumtitanat-Keramikwerkstoffe sind leicht zu verarbeiten und zu formen, eignen sich für die Massenproduktion und werden in vielen industriellen Bereichen eingesetzt.
Aufgrund seines hohen d33-Werts und seiner hervorragenden piezoelektrischen Eigenschaften wird Bariumtitanat in vielen Bereichen eingesetzt. Bariumtitanat wird zur Herstellung von Drucksensoren, Beschleunigungssensoren und Schwingungssensoren verwendet. Der hohe d33-Wert von Bariumtitanat ermöglicht es diesen Sensoren, mechanische Spannungen und Vibrationen empfindlich zu erkennen und empfindliche und hochauflösende Messungen zu liefern. Bariumtitanat wird auch zur Herstellung von Präzisionsaktuatoren verwendet, wie z. B. Mikroverschiebungsaktuatoren und Ultraschallwandler, die bei Anlegen eines elektrischen Feldes große mechanische Verformungen erzeugen können, was eine präzise Steuerung und hohe Ausgangsleistung ermöglicht. Aufgrund seiner Eigenschaften wird Bariumtitanat häufig in Energy Harvestern eingesetzt, um mechanische Energie (z. B. Vibrationen, Druck) in der Umgebung in elektrische Energie umzuwandeln. Dank der verbesserten Effizienz der Energieumwandlung können Energy Harvester Energie effizienter sammeln und speichern, um Geräte und Wearables mit eigener Energie zu versorgen. Dank der hohen Dielektrizitätskonstante und der guten piezoelektrischen Eigenschaften eignen sich Bariumtitanat-Kondensatoren hervorragend für Hochfrequenz- und Hochspannungsanwendungen und bieten eine hohe Energiedichte und Stabilität.
4.3 Blei-Zirkonat-Titanat (PZT)
PZT hat einen starken piezoelektrischen Effekt, der bei mechanischer Beanspruchung eine erhebliche Ladungstrennung bewirkt, wodurch ein elektrisches Feld entsteht; umgekehrt bewirkt es bei einem angelegten elektrischen Feld eine erhebliche mechanische Verformung. PZT hat eine Chalkogenidstruktur (ABO3), und seine piezoelektrischen und ferroelektrischen Eigenschaften können durch Variation des Verhältnisses von Zr und Ti eingestellt werden.
Die d33-Werte von PZT liegen in der Regel im Bereich von 200 - 600 pC/N, was PZT zu einem der Materialien mit hohen piezoelektrischen Eigenschaften macht. Die höheren d33-Werte bedeuten, dass PZT in der Lage ist, eine erhebliche mechanische Dehnung zu erzeugen, wenn ein elektrisches Feld in seiner Polarisationsrichtung (normalerweise 3-Richtung) angelegt wird. Dies deutet darauf hin, dass PZT bei der motorischen Umwandlung sehr effizient ist. Der höhere d33-Wert von PZT verbessert die motorische Umwandlungseffizienz des Materials erheblich, so dass es sich in piezoelektrischen Hochleistungsanwendungen auszeichnen kann. Durch Anpassung des Verhältnisses von Zirkonium zu Titan können die piezoelektrischen und ferroelektrischen Eigenschaften von PZT für verschiedene Anwendungen optimiert werden. PZT-Werkstoffe weisen eine ausgezeichnete chemische Stabilität und mechanische Festigkeit auf und können über lange Zeiträume in rauen Umgebungen eingesetzt werden. PZT-Keramiken sind leicht zu verarbeiten und zu formen, wodurch sie sich für die Massenproduktion eignen und in industriellen Anwendungen weit verbreitet sind.
Abb. 5 Blei-Zirkonat-Titanat-Keramikplatte
4.4 Zinkoxid (ZnO)
Zinkoxid (ZnO) ist ein Halbleitermaterial mit hervorragenden piezoelektrischen Eigenschaften, und sein d33-Wert liegt normalerweise im Bereich von 5-12 pC/N. Obwohl ZnO einen höheren d33-Wert hat als ZnO, hat es einen niedrigeren d33-Wert als ZnO. Obwohl der d33-Wert von ZnO im Vergleich zu herkömmlichen piezoelektrischen Materialien wie Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) und Barium-Titanat (BaTiO3) relativ niedrig ist, ist es aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften vielversprechend für ein breites Spektrum von Anwendungen in vielen Bereichen. Zinkoxid hat eine hexagonale, fibrillierte Zinkitstruktur, eine Struktur, die ihm ausgezeichnete piezoelektrische Eigenschaften und hohe elektromechanische Kopplungskoeffizienten verleiht. Zinkoxid ist in der Lage, eine beträchtliche mechanische Spannung zu erzeugen, wenn ein elektrisches Feld in Richtung seiner Polarisation angelegt wird (in der Regel in Richtung der c-Achse), was zwar nicht so stark ist wie bei einigen piezoelektrischen Hochleistungskeramiken, aber für einige spezifische Anwendungen ausreicht.
Aufgrund seiner piezoelektrischen Eigenschaften eignet sich Zinkoxid hervorragend für den Einsatz in Bereichen wie Nanogeneratoren, piezoelektrischen Sensoren und akustischen Oberflächenwellengeräten. In Nanogeneratoren können ZnO-Nanodrahtarrays mechanische Energie (z. B. Vibration und Kompression) effektiv in elektrische Energie umwandeln, und trotz ihrer niedrigen d33-Werte kann die Effizienz der Energiegewinnung durch Optimierung der Nanostruktur und des Array-Designs erheblich verbessert werden. In piezoelektrischen Sensoren eignet sich Zinkoxid aufgrund seiner hohen Empfindlichkeit und seines guten Frequenzgangs für die Erkennung kleiner mechanischer Spannungen und Druckänderungen. Darüber hinaus wird Zinkoxid häufig in Geräten für akustische Oberflächenwellen verwendet, wo seine hervorragenden piezoelektrischen und Halbleitereigenschaften eine leistungsstarke Signalverarbeitung für akustische Wellen ermöglichen.
Zu den Stärken von Zinkoxid gehören auch seine gute chemische Stabilität und Biokompatibilität, was ihm ein großes Potenzial im biomedizinischen Bereich verleiht. So können Zinkoxid-Nanodraht-Sensoren zum Beispiel für den Nachweis von Biomolekülen und für zelluläre Mechanikstudien verwendet werden, indem sie ihre piezoelektrischen Eigenschaften mit den Merkmalen von Halbleitern kombinieren und so einen hochempfindlichen und selektiven Nachweis ermöglichen. Die Anwendungen von Zinkoxid erweitern sich auch in den Bereichen Umweltsensorik und Energy Harvesting. Trotz seines relativ niedrigen d33-Wertes machen die Vielseitigkeit und die Abstimmbarkeit von Zinkoxid es zu einem wertvollen piezoelektrischen Material für eine Vielzahl von Anwendungen.
Abb. 6 Halbleiterkristall Zinkoxid
4.5 Lithiumniobat (LiNbO₃)
Lithiumniobat (LiNbO3) ist ein ferroelektrisches Material mit bedeutenden piezoelektrischen Eigenschaften, wobei die d33-Werte normalerweise im Bereich von 6-20 pC/N liegen. Obwohl die d33-Werte von LiNbO3 nicht so hoch sind wie die einiger piezoelektrischer Hochleistungskeramiken (z. B. Blei-Zirkonat-Titanat), ist es aufgrund seiner einzigartigen physikalischen Eigenschaften wichtig für Anwendungen in optoelektronischen und akustischen Geräten. Lithiumniobat weist eine dreiteilige Kristallstruktur auf, die ihm hervorragende piezoelektrische und optische Eigenschaften verleiht. Lithiumniobat ist in der Lage, eine beträchtliche mechanische Spannung zu erzeugen, wenn ein elektrisches Feld in Richtung der Polarisation, normalerweise in Richtung der c-Achse, angelegt wird.
Dank der piezoelektrischen Eigenschaften von Lithiumniobat eignet es sich hervorragend für optische Modulatoren, akustische Oberflächenwellen und nichtlineare optische Geräte. In optischen Modulatoren kann Lithiumniobat aufgrund seines hohen elektrooptischen Koeffizienten und seiner guten piezoelektrischen Eigenschaften eine schnelle und präzise optische Signalmodulation realisieren. In akustischen Oberflächenwellengeräten nutzt Lithiumniobat seine hohe Ausbreitungsgeschwindigkeit für akustische Wellen und seine piezoelektrischen Eigenschaften, um eine hocheffiziente Verarbeitung und Übertragung von akustischen Wellensignalen zu realisieren, die in der drahtlosen Kommunikation und Signalfilterung weit verbreitet ist. Darüber hinaus wird Lithiumniobat auch häufig in nichtlinearen optischen Geräten verwendet. Seine hervorragenden nichtlinearen optischen Eigenschaften machen es zu einem idealen Material für die Frequenzumwandlung und optische parametrische Oszillatoren.
Zu den Vorteilen von Lithiumniobat gehören auch seine hohe mechanische Festigkeit, seine chemische Stabilität und sein breites Transparenzfenster, das es ihm ermöglicht, in einer Vielzahl von rauen Umgebungen gute Leistungen zu erbringen. Dies verleiht Lithiumniobat ein großes Potenzial für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, im Militär und in der Industrie. In der Luft- und Raumfahrt können Lithiumniobat-Sensoren beispielsweise zur hochpräzisen Kraft- und Druckerfassung eingesetzt werden; im militärischen Bereich können die optischen und piezoelektrischen Eigenschaften von Lithiumniobat in fortschrittlichen optoelektronischen Gegenmaßnahmen und Kommunikationsgeräten genutzt werden. In industriellen Anwendungen eignet sich Lithiumniobat aufgrund seiner Hochtemperaturstabilität und Strahlungsbeständigkeit für Überwachungs- und Kontrollgeräte in rauen Umgebungen. Obwohl Lithiumniobat einen relativ niedrigen D33-Wert hat, machen seine Vielseitigkeit und seine hervorragenden optoelektronischen Eigenschaften es zu einem wertvollen piezoelektrischen Material für eine Vielzahl von Anwendungen.
Abb. 7 LiNbO3-Kristalle
4.6 Lithiumtantalat (LiTaO₃)
Lithiumtantalat (LiTaO3) ist ein wichtiges piezoelektrisches Material mit d33-Werten, die normalerweise im Bereich von 5-18 pC/N liegen. Die d33-Werte von LiTaO3 liegen in einem Bereich von 5-18 pC/N. Obwohl der d33-Wert von LiTaO3 etwas niedriger ist als der einiger piezoelektrischer Hochleistungskeramiken (z. B. Blei-Zirkonat-Titanat), wird es aufgrund seiner einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften häufig in optoelektronischen und akustischen Geräten eingesetzt. Lithiumtantalat hat eine dreiteilige Kristallstruktur, die ihm ausgezeichnete piezoelektrische und optische Eigenschaften verleiht. Wird ein elektrisches Feld in seiner Polarisationsrichtung (in der Regel in Richtung der c-Achse) angelegt, kann Lithiumtantalat erhebliche mechanische Spannungen erzeugen. Obwohl die d33-Werte relativ niedrig sind, reichen sie für viele optoelektronische und akustoelektronische Anwendungen aus.
Die piezoelektrischen Eigenschaften von Lithiumtantalat eignen sich hervorragend für akustische Oberflächenwellen, optische Modulatoren und nichtlineare optische Geräte. In akustischen Oberflächenwellengeräten nutzt Lithiumtantalat seine hohe Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Wellen und seine guten piezoelektrischen Eigenschaften, um eine hocheffiziente Verarbeitung und Übertragung von akustischen Wellensignalen zu erreichen, die in der drahtlosen Kommunikation und der Signalfilterung weit verbreitet ist; In optischen Modulatoren kann Lithiumtantalat durch seinen hohen elektro-optischen Koeffizienten und seine guten piezoelektrischen Eigenschaften eine schnelle und präzise optische Signalmodulation erreichen. Darüber hinaus wird Lithiumtantalat auch häufig in nichtlinearen optischen Geräten verwendet, und seine hervorragenden nichtlinearen optischen Eigenschaften machen es zu einem idealen Material für die Frequenzumwandlung und optische parametrische Oszillatoren.
Zu den Vorteilen von Lithiumtantalat gehören auch seine hohe mechanische Festigkeit, seine chemische Stabilität und sein breites Transparenzfenster, so dass es auch in rauen Umgebungen eine gute Leistung erbringt. Dies verleiht Lithiumtantalat ein großes Potenzial für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt, im Militär und in der Industrie. In der Luft- und Raumfahrt können Lithiumtantalat-Sensoren beispielsweise zur hochpräzisen Kraft- und Druckerfassung eingesetzt werden; im militärischen Bereich können die optischen und piezoelektrischen Eigenschaften von Lithiumtantalat in fortschrittlichen optoelektronischen Gegenmaßnahmen und Kommunikationsgeräten genutzt werden; und in der Industrie eignet sich Lithiumtantalat aufgrund seiner hohen Temperaturstabilität und Strahlungsbeständigkeit für den Einsatz in rauen Umgebungen für Überwachungs- und Kontrollgeräte. Trotz seines relativ niedrigen d33-Wertes machen die Vielseitigkeit und die hervorragenden optoelektronischen Eigenschaften von Lithiumtantalat es zu einem wertvollen piezoelektrischen Material für eine Vielzahl von Anwendungen.
Abb. 8 LiTaO3-Kristalle
5 Schlussfolgerung
Der piezoelektrische Effekt und die damit verbundenen Konstanten (insbesondere der d33-Wert) wirken sich direkt auf die Leistung piezoelektrischer Materialien aus und bestimmen deren Effizienz und Effektivität in Anwendungen wie Sensoren, Aktoren und Energy Harvestern. Zu den Faktoren, die den d33-Wert beeinflussen, gehören die Kristallstruktur, die Materialzusammensetzung, die Verarbeitung, die Mikrostruktur, die äußeren Bedingungen, die Ferroelektrizität des Materials sowie das angelegte elektrische Feld und die Frequenz, die in vielfältiger Weise zusammenwirken, um die endgültigen Eigenschaften der piezoelektrischen Materialien zu bestimmen.
Stanford Advanced Materials (SAM) hat es sich zur Aufgabe gemacht, piezoelektrische Materialien der Spitzenklasse zu liefern, die das Potenzial der d33-Werte maximieren und eine hohe Leistung und Zuverlässigkeit in verschiedenen praktischen Anwendungen gewährleisten.
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