نظرة فاحصة على الكريستال الكهروضغطية

مقدمة

البلورات الكهروضغطية هي فئة من المواد البلورية القادرة على إحداث تغييرات في توزيع الشحنة وتوليد استجابات المجال الكهربائي من خلال الإجهاد الميكانيكي. إن الخصائص الفريدة لهذه المادة تجعلها مفيدة في العديد من المجالات، خاصة في تكنولوجيا الاستشعار وتحويل الطاقة. وتتمثل الميزة الأساسية في أن البلورات الكهرضغطية تتشوه أو تعيد توزيع الشحنة عند تطبيق إجهاد ميكانيكي أو مجال كهربائي، مما يتيح تحويلًا فعالاً بين الطاقة الكهربائية والميكانيكية. ومع تقدم التكنولوجيا، تتوسع مجالات استخدام البلورات الكهرضغطية مع تقدم التكنولوجيا، تتوسع مجالات استخدام البلورات الكهرضغطية. من المواد الذكية إلى تقنيات استعادة الطاقة، تؤدي إمكاناتها المبتكرة إلى فرص وحلول جديدة للصناعة. ولذلك فإن الفهم المتعمق لخصائص البلورات الكهرضغطية وتطبيقاتها ضروري لفهم اتجاه التكنولوجيا الحديثة.

ما هي البلورة الكهرضغطية؟

البلورة الكهرضغطية هي بلورة غير متناظرة مركزياً. عند تعرضها لقوة ميكانيكية، فإنها تتشوه مسببة إزاحة نسبية لنقاط البلازما المشحونة. وينتج عن ذلك ظهور شحنات مربوطة موجبة وسالبة على سطح البلورة. وعند إزالة القوة الخارجية، تعود البلورة إلى حالتها غير المشحونة. تُعرف هذه الظاهرة باسم التأثير الكهرضغطية.

تحتوي البلورة الكهرضغطية على محور قطبي مع وجود فرق جهد عند كلا الطرفين، وهو ما يُعرف بالكهرباء الانضغاطية. تتناسب كمية الشحنة الناتجة عن القوة المؤثرة على البلورة تناسبًا طرديًا مع مقدار القوة الخارجية. وعلى العكس من ذلك، إذا تم تطبيق مجال كهربائي على البلورة، فإن البلورة تتشوه ميكانيكيًا في اتجاه معين؛ وعند سحب المجال الكهربائي المطبق يختفي التشوه. وتسمى هذه الظاهرة بالتأثير الكهروضغطي العكسي، والمعروف أيضًا باسم تأثير التقلص الكهربائي.

البلورة (α-quartz) هي بلورة كهرضغطية معروفة. تشمل البلورات الكهرضغطية الكهروضغطية الشائعة السفاليريت، والكالسيت، والتورمالين، والزنكيت الأحمر، والجايكا، وتيتانات الباريوم والبلورات الهيكلية المشتقة منه، وKH2PO4، و NaKC4H4O6-4H2O (ملح الورد)، وسكر المائدة.

الشكل 1 بلورات الكوارتز الطبيعية

خصائص البنية الكريستالية للبلورات الكهرضغطية

عادةً ما يكون للبلورات الكهرضغطية بنية بلورية غير متماثلة مركزيًا. وتندرج المواد الكهروضغطية الشائعة مثل الكوارتز (SiO₂)وتيتانات الباريوم(BaTiO₃) وسيراميك PZT (تيتانات الزركونيوم الرصاصية) ضمن هذه الفئة.

وفي البنية البلورية غير المتماثلة غير المركزية، لا تلغي ثنائيات القطب الكهربائية (أي مراكز الشحنة) بعضها بعضًا بحيث تُظهر البلورة بأكملها عزم ثنائي القطب كهربائي صافٍ. وعادةً ما تكون ثنائيات القطب الكهربائية (التي تتكون من مراكز الشحنة الموجبة والسالبة) داخل بلورة كهرضغطية موزعة عشوائيًا في الحالة الطبيعية ولا تُظهر استقطابًا عيانيًا. من خلال معالجة الاستقطاب (التسخين فوق درجة حرارة كوري وتطبيق مجال كهربائي قوي ثم التبريد)، يمكن إعادة ترتيب ثنائيات الأقطاب الكهربائية في وجود مجال كهربائي مطبق لمواءمتها في اتجاه المجال الكهربائي، مما يعطي المادة حالة استقطاب دائم.

الشكل 2 التركيب البلوري للكوارتز (SiO2)

مبادئ الظواهر الكهروإجهادية

عندما يتم تطبيق إجهاد ميكانيكي على بلورة كهرضغطية (على سبيل المثال، الضغط أو التمدد)، تؤدي الإزاحات الصغيرة لثنائيات القطب الكهربائية داخل البلورة إلى إعادة توزيع مراكز الشحنة، مما يولد شحنة على سطح البلورة. وينتج عن توزيع الشحنة هذا فرق جهد يمكن قياسه والتعبير عنه كجهد كهرضغطية. وعملية توليد الشحنة هذه عن طريق الضغط هي التأثير الكهرضغطية الإيجابية.

وبناءً على ذلك، عندما يتم تطبيق مجال كهربائي على بلورة كهرضغطية فإن ثنائيات القطب الكهربائية داخل البلورة تعيد ترتيب أو تدوير نفسها استجابةً للمجال الكهربائي، مما يؤدي إلى تشوه ميكانيكي للبلورة. يمكن أن يؤدي هذا التشوه إلى حركة ميكانيكية، كما هو الحال في المشغل الكهرضغطية. تسمى هذه الظاهرة بالتأثير الكهرضغطية العكسي.

الشكل 3 التأثير الكهرضغطية

ينتج بشكل أساسي عن إعادة ترتيب ثنائي القطب الكهربائي واقتران الإجهاد والمجال الكهربائي. تحدث إعادة ترتيب ثنائيات الأقطاب الكهربائية بشكل أساسي فوق درجة حرارة كوري عندما تسمح البنية البلورية للمادة الكهرضغطية بدوران ثنائيات الأقطاب الكهربائية بحرية. عندما يتم تطبيق مجال كهربائي، تتم محاذاة ثنائيات القطب الكهربائية على طول اتجاه المجال الكهربائي. عند التبريد، يتم تثبيت اتجاه محاذاة ثنائيات القطبين الكهربائيين في اتجاه المجال الكهربائي، مما يؤدي إلى استقطاب المادة استقطابًا عيانيًا. يتجلى تأثير الاقتران بين الإجهاد والمجال الكهربائي في أنه عند تطبيق الإجهاد الميكانيكي، تخضع البنية البلورية لتغييرات طفيفة، وتتغير المواضع النسبية لثنائيات القطب الكهربائي، مما يؤدي إلى إعادة توزيع مراكز الشحنات وتوليد شحنات كهربائية؛ وعند تطبيق مجال كهربائي، تؤدي إعادة ترتيب ثنائيات القطب الكهربائي إلى تشوه البنية البلورية وتوليد سلالات ميكانيكية.

استقطاب البلورات الكهروإجهادية

ما هو الاستقطاب؟

إن استقطاب البلورات الكهرضغطية هو محاذاة ثنائيات الأقطاب الكهربائية في مادة كهرضغطية في اتجاه معين من خلال تطبيق مجال كهربائي قوي. تمنح هذه العملية المادة القدرة على اكتساب التأثير الكهروضغطي وتعظيم خصائصها الكهروضغطية.

الشكل 4 استقطاب السيراميك

خطوات معالجة الاستقطاب

1. تحضير المواد: يتم تحضير المواد الكهروضغطية (مثل تيتانات الباريوم، سيراميك PZT، إلخ) بالشكل والحجم المطلوبين.

2. التسخين: تسخين المادة فوق درجة حرارة كوري. درجة حرارة كوري هي درجة الحرارة التي تتغير عندها المادة من الطور الكهربائي الحديدي إلى الطور الكهربائي المتساوي. عند درجة الحرارة هذه، تكون ثنائيات الأقطاب الكهربائية داخل المادة في حالة موجهة عشوائيًا.

3. المجال الكهربائي المطبق: يتم تطبيق مجال كهربائي قوي (عادةً بضعة آلاف فولت لكل ملليمتر) على المادة عند درجة حرارة عالية. ويتسبب هذا المجال الكهربائي في إعادة ترتيب ثنائيات الأقطاب الكهربائية داخل المادة واصطفافها في اتجاه المجال الكهربائي.

4. التبريد: يتم تبريد المادة إلى ما دون درجة حرارة كوري مع الحفاظ على المجال الكهربائي. أثناء عملية التبريد، تظل ثنائيات الأقطاب الكهربائية مصطفة في اتجاه المجال الكهربائي، مما يؤدي إلى حالة استقطاب دائم للمادة.

5. إزالة المجال الكهربائي: بعد أن يتم تبريد المادة إلى درجة حرارة الغرفة، يمكن إزالة المجال الكهربائي الخارجي، وعند هذه النقطة تكون المادة قد اكتسبت خصائص كهرضغطية دائمة.

مبدأ معالجة الاستقطاب

عندما تكون المادة أعلى من درجة حرارة كوري، تكون المادة الكهروإجهادية في الطور cis، وتكون ثنائيات الأقطاب الكهربائية حرة في الدوران وإعادة الترتيب. في هذا الوقت لتقوية المجال الكهربائي بحيث يكون ثنائي القطب الكهربائي على طول اتجاه محاذاة المجال الكهربائي، وتشكيل اتجاه استقطاب موحد. بعد الوصول إلى اتجاه الاستقطاب المطلوب، يتم خفض درجة الحرارة للسماح بالتبريد. تُثبّت عملية التبريد محاذاة ثنائي القطب بحيث يبقى ثنائي القطب مستقطباً في غياب المجال الكهربائي الخارجي.

أهمية معالجة الاستقطاب

تُعد معالجة الاستقطاب أمرًا بالغ الأهمية لأداء المواد الكهروضغطية. فالمواد غير المستقطبة لا تُظهر تأثيرات كهرضغطية كبيرة، ويتم تحسين الخصائص الكهرضغطية (على سبيل المثال، المعامل الكهرضغطية) للمواد المستقطبة بشكل كبير، مما يمكّنها من تحويل الطاقة الميكانيكية والكهربائية بكفاءة. ومن خلال الاستقطاب يمكن للمواد الكهرضغطية أن تحقق أداءً فائقًا في تطبيقات مثل المستشعرات والمشغلات والمكونات الإلكترونية.

المواد الكهروضغطية الشائعة وتطبيقاتها

1. الكوارتز

الكوارتز هو بلورة كهرضغطية طبيعية مستخدمة على نطاق واسع، بسبب ثباتها وأدائها العالي في العديد من المجالات. تركيبه الكيميائي للنظام البلوري السداسي لثاني أكسيد السيليكون (SiO2)، وهو مظهر البلورة الشفافة عديمة اللون بشكل عام. يسمح معامل التمدد الحراري المنخفض (الكوارتز العادي له معامل تمدد حراري يبلغ حوالي 0.5*10^6/درجة مئوية) وعامل الجودة العالية (الكوارتز له معامل جودة يبلغ حوالي 115*1000) للكوارتز بالتفوق في المذبذبات والمرشحات عالية التردد حتى مع وجود معاملات كهرضغطية منخفضة نسبيًا. ويتمتع الكوارتز بثبات كيميائي وميكانيكي ممتاز ويحافظ على خصائصه الكهروضغطية على نطاق واسع من درجات الحرارة.

وعادةً ما يتم تحضير بلورات الكوارتز سواءً المستخرجة طبيعيًا أو المصنعة صناعيًا. وباعتباره معدنًا طبيعيًا، فإن الحصول على بلورات الكوارتز سهل نسبيًا وغير مكلف. يمكن استخدام الكوارتز الاصطناعي غالبًا لتلبية متطلبات النقاء العالي والحجم المحدد. يمكن التحكم في قطع بلورات الكوارتز ومعالجتها بدقة لضمان الأداء الأمثل في التطبيق. تؤثر اتجاهات القطع المختلفة على الخصائص الكهروضغطية للكوارتز، مثل القطع AT والقطع BT.

تُستخدم مذبذبات بلورات الكوارتز في الأجهزة الإلكترونية مثل ساعات الكوارتز وأجهزة الكمبيوتر والهواتف الخلوية لتوفير مراجع زمنية دقيقة. يمكن استخدام المرشحات المصنوعة من بلورات الكوارتز في أجهزة الاتصالات اللاسلكية لضمان جودة وثبات نقل الإشارة. تُستخدم بلورات الكوارتز أيضًا في أجهزة استشعار الضغط ومقاييس التسارع والميكروفونات لتحويل الاهتزازات الميكانيكية إلى إشارات كهربائية في مجموعة واسعة من الأتمتة الصناعية والفضاء والمعدات الصوتية.

تشمل تطبيقات الكوارتز في أجهزة الموجات الصوتية السطحية (SAW) مرشحات SAW ومستشعرات SAW لمعالجة الإشارات والمراقبة البيئية. في المعدات البصرية، تُستخدم بلورات الكوارتز في صناعة المغيرات الضوئية والموشورات والعدسات. في معدات الموجات فوق الصوتية، تُستخدم محولات الطاقة فوق الصوتية الكوارتز البلورية في التشخيص الطبي والاختبارات الصناعية. في مجال القياس ومعدات الاختبار، تُستخدم بلورات الكوارتز كمصادر تردد قياسية في أجهزة قياس التردد ومولدات الإشارة. يتمتع الكوارتز بمكانة لا غنى عنها في التكنولوجيا والصناعة الحديثة نظرًا لثباته العالي ودقته العالية وتكلفته المنخفضة.

الشكل 5 مرشحات كريستال الكوارتز

2 تيتانات الباريوم

تيتانات الباريوم ( BaTiO3)، وهي عادةً بلورات عديمة اللون أو بيضاء اللون، لها بنية كالكوجينيد (مع أطوار بلورية مختلفة في درجات حرارة مختلفة، مثل رباعي الزوايا ومكعب وسداسي الزوايا). تنشأ الخصائص الكهروضغطية لتيتانات الباريوم من الانتقال الطوري البلوري وانكسار التماثل في تركيبها الكالكوجيني بسبب تغيّرات درجة الحرارة. تحافظ تيتانات الباريوم على خواصها الكهرضغطية على نطاق واسع من درجات الحرارة، ما يجعلها مناسبة للاستخدام في مجموعة متنوعة من الظروف البيئية.

وتمنح الثوابت الكهرضغطية العالية لتيتانات الباريوم (d31 حوالي -80×10^-12 درجة مئوية/نيتروجينات، بينما d33 حوالي 190×10^-12 درجة مئوية/نيتروجينات) أداءً ممتازاً في العديد من التطبيقات. يمنحها ثابت العزل الكهربائي العالي لتيتانات الباريوم سعة عالية في تطبيقات المكثفات. في درجة حرارة الغرفة، يبلغ ثابت العزل الكهربائي الطبيعي حوالي 1200.

في الأجهزة الإلكترونية، يُستخدم تيتانات الباريوم في تصنيع المكثفات الخزفية متعددة الطبقات (MLCCs)، التي تتميز بسعة عالية وحجم صغير وتستخدم على نطاق واسع في الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر والأجهزة المنزلية. في مجال المستشعرات، يُستخدم تيتانات الباريوم في تصنيع مستشعرات الضغط ومستشعرات التسارع، والتي تُستخدم في الأتمتة الصناعية والمعدات الطبية وإلكترونيات السيارات.

يُستخدم تيتانات الباريوم أيضاً في تصنيع المشغّلات الكهرضغطية التي تُنتج تشوّهات ميكانيكية تحت الجهد الكهربائي وتُستخدم في أنظمة تحديد المواقع الدقيقة والأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) والمحاذاة البصرية. وتُعدّ محولات الطاقة فوق الصوتية تطبيقاً مهماً آخر لتيتانات الباريوم، والتي تُستخدم على نطاق واسع في التشخيص الطبي بالموجات فوق الصوتية والاختبارات الصناعية غير المدمرة ومعدات التنظيف بالموجات فوق الصوتية.

كما يُستخدم تيتانات الباريوم أيضاً في المرشحات الكهرضغطية والمرنانات في أنظمة الاتصالات اللاسلكية لضمان وضوح الإشارة وجودة الإرسال. وبالإضافة إلى ذلك، تُستخدم الخصائص الكهرضغطية لتيتانات الباريوم في تطوير أجهزة حصاد الطاقة الكهرضغطية التي تحوّل الاهتزازات الميكانيكية أو الطاقة الحركية من البيئة إلى طاقة كهربائية لتشغيل الأجهزة منخفضة الطاقة.

كما أن تيتانات الباريوم لها تطبيقات في المحولات الكهربائية الصوتية مثل مكبرات الصوت والميكروفونات، حيث تقوم بتحويل الإشارات الكهربائية إلى موجات صوتية أو العكس. وتشمل تطبيقاته في الأجهزة الطبية الأدوات الطبية التي تعمل بالكهرباء الانضغاطية مثل المضخات الدقيقة وأنظمة توصيل الأدوية الدقيقة. ونظراً لثباتها الكهروإجهادي العالي وثباتها الجيد، تلعب تيتانات الباريوم دوراً مهماً في مجال الإلكترونيات الحديثة والاتصالات والأتمتة الطبية والصناعية.

الشكل 6 مكثفات سيراميك متعددة الطبقات

3 تيتانات زركونات الرصاص الزركونية (PZT)

تيتانات زركونات الرصاص الزركونية ( PZT) هي مادة سيراميك كهرضغطية مهمة جدًا ومستخدمة على نطاق واسع. صيغتها الكيميائية هي Pb(ZrـTi₁₋ـTi₋) O₃،ويمكن أن تتنوع بنية PZTبنسب مختلفةمن الزر/التايتانات، بما في ذلك بنية من نوع الكالكوسيت. وتخضع PZT لتحولات طورية (على سبيل المثال، من أطوار رباعي الزوايا إلى أطوار مكعبة) في درجات حرارة مختلفة، وتؤثر هذه التحولات على خصائصها الكهرضغطية.

في أجهزة الموجات فوق الصوتية، تُستخدم PZT لصنع محولات الطاقة للتشخيص بالموجات فوق الصوتية الطبية، والاختبارات الصناعية غير المدمرة وأنظمة السونار تحت الماء. يستخدم مجال المستشعرات التأثير الكهرضغطية لـ PZT لصنع مستشعرات الضغط ومستشعرات التسارع للتطبيقات في الأتمتة الصناعية والأجهزة الطبية وأنظمة سلامة السيارات والرصد الزلزالي.

تُنتج المشغلات الكهرضغطية PZT تشوهات ميكانيكية تحت تأثير مجال كهربائي وتُستخدم في تحديد المواقع بدقة وضبطها بصريًا والتحكم الدقيق في الحركة في أجهزة الطباعة والمجاهر. وبالإضافة إلى ذلك، تُستخدم مواد PZT كمرشحات كهرضغطية ومرنانات في أنظمة الاتصالات اللاسلكية لضمان وضوح الإشارة وجودة الإرسال.

وفي مجال حصاد الطاقة، تقوم مادة PZT بتحويل الطاقة الميكانيكية أو الطاقة الاهتزازية في البيئة إلى طاقة كهربائية لتغذية شبكات الاستشعار اللاسلكية والأجهزة القابلة للارتداء. تُستخدم PZT أيضًا في صناعة مكبرات الصوت والميكروفونات التي تحول الإشارات الكهربائية إلى موجات صوتية أو العكس. إن ثابتها الكهروضغطي العالي ومعامل الاقتران الكهروميكانيكي العالي يجعلها تلعب دورًا مهمًا في مجالات الإلكترونيات الحديثة والاتصالات والطب والأتمتة الصناعية.

الشكل 7 صفيحة سيراميك كهرضغطية من الرصاص زركونات تيتانات الرصاص

4 أكسيد الزنك (ZnO)

يتميز أكسيد الزنك ببنية سداسية الشكل، وهي بنية غير متماثلة غير مركزية تمنحه خصائص كهرضغطية.تولد أيوناتZn²⁺وO²- في ^بنية Wurtzite السداسية عزم ثنائي القطب الكهربائي تحت الضغط، مما يؤدي إلى تأثير كهرضغطية. وتتميز هذه المادة بثابت كهرضغطية عالٍ ومعامل اقتران كهروميكانيكي جيد.

يحتوي أكسيد الزنك (ZnO) كبلورة كهرضغطية على العديد من التطبيقات في العديد من المجالات نظرًا لثابت كهرضغطية عالٍ، وحساسيته العالية، وثباته الكيميائي الجيد. في مجال المستشعرات، يستخدم ZnO في صناعة مستشعرات الغاز ومستشعرات الضغط، والتي تستخدم على نطاق واسع في الأتمتة الصناعية والإلكترونيات الاستهلاكية.

في المشغلات، يُستخدم أكسيد الزنك في مشغلات الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) والأجهزة الصوتية لتحديد المواقع بدقة وإخراج صوت عالي الدقة. تُستخدم الخصائص الكهرضغطية لأكسيد الزنك أيضًا في حصاد الطاقة، من خلال المولدات النانوية وحصادات الطاقة الكهرضغطية التي تحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية لتشغيل الأجهزة منخفضة الطاقة.

وبالإضافة إلى ذلك، يُستخدم أكسيد الزنك كمادة أقطاب كهربائية شفافة في الأجهزة الإلكترونية الضوئية والصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED) وأجهزة الكشف الضوئي لتحسين كفاءة التحويل الكهروضوئي. كما تُستخدم المواد النانوية لأكسيد الزنك في أجهزة الاستشعار الحيوية للكشف عن الأنشطة الجزيئية والخلوية الحيوية، والتي تستخدم على نطاق واسع في التشخيص الطبي والأبحاث البيولوجية. تجعل خواصه الكهروضغطية والإلكترونية الضوئية والكيميائية الممتازة من أكسيد الزنك ذات قيمة في التطبيقات الحديثة للإلكترونيات والاتصالات والتطبيقات الطبية والأتمتة الصناعية.

الشكل 8 متغيرات أكسيد الزنك

5 نيو بليت الليثيوم (LiNbO₃)

تُعدّنيوبات الليثيوم ( LiNbO₃) مادة بلورية كهرضغطية مهمة، تُستخدم على نطاق واسع في العديد من مجالات التكنولوجيا الفائقة بسبب خصائصها الكهرضغطية والكهروضوئية الكهربائية والبصرية غير الخطية والصوتية البصرية الممتازة. تحتوي نيوبيات الليثيوم على نظام بلوري رباعي الزوايا من بنية الكالكوجينيد، ويمنحها التناظر غير المركزي لهذه البنية خصائص كهرضغطية وكهروضوئية، وينتج عن الإزاحة النسبية لأيونات الليثيوم وأيونات النيوبيوم في الشبكة تحت الضغط انزياح مراكز الشحنة الموجبة والسالبة.

وتتميز نيوبيات الليثيوم بثوابت كهرضغطية عالية ومعاملات اقتران كهروميكانيكية، ما يجعلها ممتازة للعديد من التطبيقات. وباعتباره بلورة كهرضغطية كهرضغطية، فإن لنيوبات الليثيوم (LiNbO₃)مجموعة واسعة من التطبيقات في العديد من المجالات نظرًا لخصائصه الكهرضغطية والكهروضوئية والصوتية البصرية وغير الخطية الممتازة.

تُصنع نيوبيات الليثيوم أجهزة المغيرات الكهروضوئية الكهربائية وأجهزة الدليل الموجي في الأجهزة البصرية، والتي تستخدم على نطاق واسع في الاتصالات البصرية والبصريات المتكاملة. أما في الأجهزة الصوتية البصرية، فيستخدم نيوبيات الليثيوم في المغيرات الصوتية البصرية وخطوط التأخير الصوتية البصرية، والتي تستخدم لتعديل ومعالجة الحزم الضوئية وإشارات الترددات الراديوية.

وفي مجال المستشعرات، تُستخدم مقاييس تسارع نيوبيات الليثيوم ومستشعرات الضغط على نطاق واسع في مجال الطيران، وأنظمة سلامة السيارات، والرصد الزلزالي، والأتمتة الصناعية. تُستخدم المرشحات الكهرضغطية والمرنانات المصنوعة من نيوبيات الليثيوم في أنظمة الاتصالات اللاسلكية لتحديد الترددات والتحكم فيها، مما يضمن وضوح الإشارة وجودة الإرسال.

وفي أجهزة الليزر، تُستخدم الخصائص البصرية غير الخطية لنيوبات الليثيوم في تصنيع مضاعفات التردد والمذبذبات البارامترية الضوئية لتمكين تعديل تردد الليزر وضبط الطول الموجي. وبالإضافة إلى ذلك، فإن لنيوبات الليثيوم تطبيقات مهمة في المجالات الطبية والتكنولوجيا الحيوية، مثل أجهزة الموجات فوق الصوتية الطبية وأجهزة الاستشعار الحيوية التي توفر تصويراً عالي الدقة بالموجات فوق الصوتية والكشف عن الجزيئات الحيوية.

إن ثابتها الكهروضغطي العالي وتأثيرها الكهروضوئي الممتاز وثباتها الكيميائي يجعل من نيوبيات الليثيوم قيمة في التطبيقات الحديثة للإلكترونيات والاتصالات والبصريات والأتمتة الطبية والصناعية.

الشكل 9 الهيكل البلوري لنيوبات الليثيوم

6 تانتالات الليثيوم (LiTaO₃)

تُعدتانتالات الليثيوم ( LiTaO₃) مادة بلورية كهرضغطية مهمة، تُستخدم على نطاق واسع في العديد من مجالات التكنولوجيا الفائقة بسبب خصائصها الكهرضغطية والكهربائية البصرية والكهربائية البصرية والصوتية البصرية وغير الخطية الممتازة. تحتوي تانتالات الليثيوم على بنية كالسيت ذات نظام بلوري ثلاثي الأجزاء، وتمنحها هذه البنية غير المتماثلة المركزية خصائص كهرضغطية وكهروضوئية-بصرية وغير بصرية غير خطية. وتتميز تانتالات الليثيوم بثابت كهرضغطية عالٍ ومعامل اقتران كهروميكانيكي، وهو ما يمكنها من تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية أو العكس.

وباعتبارها بلورة كهرضغطية كهرضغطية، فإن تانتالات الليثيوم (LiTaO₃) لهامجموعة واسعة من التطبيقات في العديد من المجالات نظرًا لخصائصها الكهرضغطية والكهروضوئية والصوتية البصرية والبصرية غير الخطية الممتازة.

وفي الأجهزة البصرية،يُستخدمLiTaO₃فيالأجهزة البصرية ، يُستخدمLiTaO₃ لتصنيع المغيرات الكهروضوئية وأجهزة الدليل الموجي البصري، والتي تُستخدم على نطاق واسع في الاتصالات البصرية والبصريات المتكاملة. أما في الأجهزة الصوتية البصرية، فيستخدم تانتالات الليثيوم في المغيرات الصوتية البصرية وخطوط التأخير الصوتية البصرية، والتي تستخدم لتعديل ومعالجة الحزم الضوئية وإشارات الترددات الراديوية.

وبالنسبة لتطبيقات أجهزة الاستشعار، تنتشر أجهزة قياس التسارع وأجهزة استشعار الضغط القائمة على تانتالات الليثيوم في مجال الطيران وأنظمة سلامة السيارات والرصد الزلزالي والأتمتة الصناعية. وتُعد المرشحات والمرنانات الكهرضغطية ضرورية في أنظمة الاتصالات اللاسلكية لتحديد الترددات والتحكم فيها، وبالتالي ضمان وضوح الإشارة وجودة الإرسال.

تُعد الخصائص البصرية غير الخطية لتنتالات الليثيوم ضرورية في أجهزة الليزر، خاصة في تصنيع مضاعفات التردد والمذبذبات البارامترية البصرية. وتتيح هذه الأجهزة تعديل تردد الليزر وتعديل الطول الموجي. وبالإضافة إلى ذلك، تُستخدم تانتالات الليثيوم بشكل كبير في قطاعي الطب والتكنولوجيا الحيوية، مثل أجهزة الموجات فوق الصوتية الطبية وأجهزة الاستشعار الحيوية التي توفر تصويراً عالي الدقة بالموجات فوق الصوتية والكشف عن الجزيئات الحيوية.

إن ثابت الليثيوم الكهروضغطي القوي وتأثيره الكهروضوئي-البصري الفائق وثباته الكيميائي الممتاز يجعل من تانتالات الليثيوم مادة لا غنى عنها في التطبيقات الحديثة للإلكترونيات والاتصالات والبصريات والتطبيقات الطبية والأتمتة الصناعية.

الشكل 10 كريستال تانتالات الليثيوم

7 الخلاصة

تتمتع البلورات الكهرضغطية بوظيفة تحويل الطاقة الميكانيكية والكهربائية بينيًا بسبب بنيتها المجهرية الخاصة. لم يؤثر اكتشاف البلورات الكهروإجهادية وتطبيقها مثل الكوارتز ونيوبات الليثيوم وتانتالات الليثيوم تأثيرًا عميقًا على اتجاه التقدم العلمي والتكنولوجي الحديث فحسب، بل أظهر أيضًا الإمكانات الكبيرة لعلوم المواد في حل مشاكل العالم الحقيقي.

ومع الطلب المتزايد على خصائص المواد الجديدة، ستستمر الابتكارات الإضافية في تكنولوجيا البلورات الكهروضغطية في دفع حدود التكنولوجيا البشرية وتحقيق المزيد من الابتكار والتقدم لمجتمعنا. تحتل Stanford Advanced Materials ( SAM) موقع الصدارة في توفير مواد كهرضغطية عالية الجودة لتلبية هذه الاحتياجات التكنولوجية المتزايدة.

المراجع:

[1] [1] Nogueira A E F ,Campos B V R ,Nascimento D C P J ,et al.Nogueira A E F ,Campos B V R ,Nascimento D C P J ,et al.P P P. مستشعر صوتي كهرضغطية لدرجات الحرارة من ألياف بلورية LiNbO3 تعمل على ترددات الراديو[J].Journal of Crystal Growth,2024,643127799-127799.

قراءة ذات صلة:

الكهرباء الانضغاطية