Piezoelektřina a další elektromechanické jevy I

Elektromechanické jevy, zejména piezoelektřina a pyroelektřina, jsou dnes široce aplikovanými jevy v mnoha oborech lidské činnosti. Spektrum aplikací zahrnuje senzory, převodníky mechanických veličin, aktory a ultrazvukové motorky a patrně každý z nás vědomě či nevědomě některou z těchto aplikací používá v každodenním životě. Výzkum a vývoj nových aplikací není ani zdaleka uzavřen – dnešními velice zkoumanými možnostmi je použití piezoelektrických prvků ke generaci náboje jako náhrada baterií (tzv. „energy harvesting“ např. pro nabíjení mobilní elektroniky a senzorů umístěných na nepřístupných místech), autonomně pracující senzory, lékařská ultrazvuková diagnostická a léčebná technika atd. Tím využití těchto jevů slouží k automatizaci a úsporám elektrické energie, zlepšuje komfort a kvalitu našeho života. Studium a výzkum piezoelektrických vlastností je velmi zajímavým a perspektivním oborem studia, které tradičně uskutečňuje Technická Univerzita v Liberci jako součást některých studijních programů.

Svět dipólových momentů
V kovových materiálech je elektrický proud proudem elektronů uváděných do pohybu napětím na koncích vodiče. Díky kovové vazbě se mohou okrajové elektrony atomů víceméně volně pohybovat v celém objemu kovu – jsou to tzv. volné nosiče náboje. To způsobuje malý elektrický odpor kovů a snadné vedení elektrického proudu. V izolantech (dielektrikách) je situace komplikovanější. Existuje zde sice také většinou malé množství volných nosičů náboje, ale díky typickým kovalentním vazbám je většina nábojů (elektronů i iontů) pevně držena v krystalické struktuře. Elektrony ani ionty tedy nelze využít k vedení proudu jako u kovů – jde o tzv. vázané nosiče náboje. Vnější elektrické pole sice také působí i na vázané náboje, ale dokáže vyvolat pouze jejich malé výchylky kolem rovnovážných poloh v krystalové mřížce.

Piezoelektrický jev

V dielektrických materiálech lze na nosiče náboje působit také mechanickým tlakem. Spolu s deformací krystalové mřížky se posouvají i elektrické náboje v její struktuře. Pokud nemá krystalová mřížka střed symetrie, vzniká nesymetrické uspořádání nábojů charakterizované nenulovým dipólovým momentem. Velikost dipólového momentu je přímo úměrná velikosti působícího tlaku. Tento jev byl podle řeckého slova piedzó = tlačit nazván přímým piezoelektrickým jevem. K přímému jevu existuje také obrácený piezoelektrický jev, který spočívá ve vzniku mechanické deformace generované v látce elektrickým polem. Připomeňme, že oba jevy existují pouze v krystalických strukturách bez středu symetrie, a to ještě vzhledem ke krystalové mřížce jen v některých určitých směrech. Jevy tedy nenajdeme např. v žádném z kovů, které mají středově symetrické krystalové mřížky z kubické nebo hexagonální soustavy symetrie. Dipólové momenty také existují v látce pouze během zatížení krystalu mechanickým tlakem. Bez stlačení je piezoelektrická látka elektricky neutrální. Podobně u obráceného piezoelektrického jevu se krystal přiložením elektrického pole mechanicky deformuje a po vypnutí pole se krystal vrací do stavu před deformací.

Pyroelektrický jev

Podobně jako mechanickým tlakem lze deformovat krystalickou mřížku dielektrik také změnou teploty. V látkách s jednou polární osou symetrie tak lze změnou teploty vytvářet dipólový moment, jehož velikost je přímo úměrná změně teploty a má směr této polární osy symetrie. Tento jev byl znám již od 17. století z pozorování přitahování částeček popela k jednomu konci chladnoucího krystalku turmalínu nalézaného v přírodě (Ceylon). Podle řeckého slova pyros = oheň byl jev nazýván jevem pyroelektrickým. K tomuto jevu také existuje obrácený jev, spočívající ve změně teploty krystalu vloženého do elektrického pole – jev elektrokalorický. Protože pyroelektřina klade vyšší nároky na asymetrii krystalu, jsou všechny pyroelektrické látky současně také piezoelektrické, ale ne všechny piezoelektrické látky musejí být nutně také pyroelektrické. Také u pyroelektrického jevu vzniká a trvá dipólový moment pouze při změně teploty.

Feroelektřina

Existují však i látky, u nichž existuje v krystalové struktuře dipólový moment trvale a samovolně. Takové látky se nazývají feroelektrické (jev se označuje jako feroelektřina) a jsou vlastně elektrickou analogií permanentních magnetů. Teoreticky by tedy měly existovat elektrické náboje tvořící dipól na opačných pólech krystalu feroelektrické látky trvale. Jsou však záhy kompenzovány náboji z okolního prostředí nebo volnými náboji v samotném dielektriku. Vnitřní uspořádání dipólových momentů uvnitř látky však zůstává a projevuje se řadou zajímavých vlastností. Požadavky na krystalovou symetrii látky jsou stejné jako pro pyroelektrický jev. Každý feroelektrický materiál je tedy současně také pyroelektrický i piezoelektrický.

Feroelektrické látky se používají jednak pro svoje piezoelektrické či pyroelektrické vlastnosti, jednak pro vysoké hodnoty permitivity, které se u nich dosahuje (řádově až 10000, oproti slídě s permitivitou řádově 10) a pomocí níž lze miniaturizovat elektronické součástky, např. kondenzátory v elektronických obvodech. Prostorově souvislá oblast se stejnou orientací „šipek“ - dipólových momentů ve všech buňkách mřížky se nazývá feroelektrická doména. Existuje jen určité konečné množství možností orientace dipólových momentů dané symetrií krystalické mřížky – maximálně 48 možností. Vnějším elektrickým polem pak můžeme přepínatjednotlivé orientace dipólových momentů mezi sebou. Látka si ve střídavém elektrickém poli pamatuje svoji historii, což se projevuje v jejím chování tzv. hysterezní smyčkou – látka se při vypnutí elektrického pole nevrací do stavu s nulovou deformací a nulovým dipólovým momentem, ale ponechává si nenulovou permanentní deformaci a nenulový permanentní dipólový moment.

Všechny výše zmíněné jevy se týkají systému dipólových momentů v krystalové mřížce, které různými vnějšími vlivy vznikají (tlak, změna teploty), anebo existují trvale ve struktuře krystalu. Řada vlastností těchto dipólových momentů se dá využít a dnes i prakticky využívá v různých technických aplikacích.

Elektrostrikční jev

Mezi elektromechanické jevy dále patří také elektrostrikční jev, který spočívá ve vzniku mechanické deformace látky po jejím vložení do elektrického pole. Tento jev je vlastní všem látkám bez ohledu na symetrii krystalové mřížky a mechanická deformace závisí kvadraticky na velikosti intenzity elektrického pole. Elektrostrikce je při stejné hodnotě elektrického pole znatelně menší než piezoelektrický jev, ale elektrostrikčně generovaná maximální deformace některých látek může dosáhnout větších hodnot než by tomu bylo u piezoelektřiny. Elektrostrikční vlastnosti některých látek jsou technicky aplikovány v aktorech, např. v prvcích pro velmi jemné posuvy potřebné např. v optických zařízeních.

„Chytré“ materiály

Piezoelektrické, pyroelektrické a feroelektrické materiály se právem řadí k tzv. „chytrým“ („smart“) materiálům, díky své jedinečné vlastnosti přímé transformace mechanických jevů na elektrické a naopak. Tyto materiály umožňují řadu aplikací žádaných z hlediska úspor energie, automatizace a elektronizace různých průmyslových zařízení i přístrojů každodenní potřeby. Volba nejvhodnějšího materiálu je však komplikovanější díky jejich anizotropním vlastnostem.

Rezonátory

Tradičním a dodnes v řadě parametrů nepřekonaným piezoelektrickým materiálem je křemen (SiO2), který sice nemá nijak oslňující velikost piezoelektrických vlastností, ale je jedinečným materiálem pro piezoelektrické rezonátory. V rezonančních zařízeních totiž využíváme inverzní piezoelektrický jev a přiloženým elektrickým polem mechanicky rozkmitáváme piezoelektrický prvek - rezonátor. V mechanické rezonanci potom prvek slouží jako stabilizátor rezonančního kmitočtu elektrického obvodu. Křemen je velice dobrým rezonátorem díky svým velmi malým mechanickým ztrátám – je to jako bychom zvonili na velice dobrý zvon. Křemen se proto používá převážně jako elektronický prvek stabilizující rezonanční frekvenci oscilačního obvodu – viz obr. 1.

Obr. 1

Od Seignettovy soli přes keramiku PZT k výzkumu kompozitních materiálů
Dlouhodobým vývojem byla nalezena řada dalších piezoelektrických, pyroelektrických a feroelektrických látek. První látkou, u které byla popsána feroelektřina, se stala v roce 1921 Seignettova sůl (vínan sodno-draselný, NaKC₄H₄O₆·4H₂O), což se podařilo Josephu Valaskovi – potomkovi českých emigrantů v USA. Také obě světové války velice urychlily hledání dalších feroelektrických materiálů, zvláště pak s vysokou permitivitou pro kondenzátory. Do druhé světové války se jako dielektrikum v kondenzátorech používala většinou slída, což je přírodní minerál nacházející se v té době mimo dosah válčícího Německa (např. v Indii). Tak byl během války nezávisle na straně USA, SSSR i Japonska objeven titaničitan barnatý (BaTiO₃) – uměle připravená látka, jejíž relativní permitivita byla kolem 80, tedy několikanásobně větší než u slídy. Podobně válka urychlila vývoj technologie umělého pěstování křemenných krystalů, místo používání přírodního křemene s nalezišti v Brazílii, Ceylonu a SSSR. Během války se také přišlo na to, že piezoelektrické vlastnosti má do jisté míry i feroelektrická látka ve formě keramiky, tj. polykrystalu s malými zrnky. V 50. letech minulého století byl objeven dodnes nejúspěšnější keramický systém – tzv. keramika PZT (tuhý roztok PbTiO₃ a PbZrO₃) [1]. PZT keramika je dodnes jedním z nejvíce vyráběných piezoelektrických materiálů – obr. 2.

Obr. 2

60. léta přispěla objevem krystalů niobičnanu lithného (LiNbO₃) a tantaličnanu lithného (LiTaO₃), které se používají jak pro své piezoelektrické, tak i pro své optické vlastnosti. Koncem 60. let a počátkem 70. let byla objevena piezoelektřina a posléze i feroelektřina u řady polymerních látek, z nichž připomeňme alespoň polyvinyldifluoretylen (PVDF). Další desetiletí bylo převážně věnováno výzkumu kompozitních materiálů, kde se kombinuje vždy několik součástí, z nichž alespoň jedna je piezoelektrická nebo feroelektrická. Dosavadní vývoj byl završen objevem silně piezoelektrických krystalů látek Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃ (PZN-PT) a Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃ (PMN-PT) a jim podobných látek s perovskitovou strukturou. U těchto krystalů jsou piezoelektrické vlastnosti řádově větší než u jiných technicky aplikovaných látek a to umožnilo neobyčejný pokrok u řady aplikací, jako jsou lékařské ultrazvuky nebo sonary.

Z používaných piezoelektrických krystalických materiálů připomeňme alespoň ještě krystaly niobičnanu draselného (KNbO₃) a titaničitanu olovnatého (PbTiO₃). Mezi keramickými materiály se používá nejvíce PZT keramika, dále pak keramiky z titaničitanu barnatého (BaTiO₃), titaničitanu bismutitého (Bi₄Ti₃O₁₂), niobičnanu olovnatého (PbNb₂O₆), titaničitanu olovnatého (PbTiO₃) a zkoumá se řada dalších složitých bezolovnatých systémů založených např. na Na(Bi_1/2Ti_1/2)O₃ – K(Bi_1/2Ti_1/2)O₃, KNbO₃ - NaNbO₃ s různým dopováním atd. Pro pyroelektrické vlastnosti se používá například krystal triglycin sulfátu (TGS) a titaničitanu lithného (LiTaO₃).

Pokračování příště