قيم D33 في البلورات الكهروضغطية: الآثار المترتبة على التطبيقات العملية
1 مقدمة
يمكنللمواد الكهروضغطية توليد مجال كهربائي عند حدوث تشوه بواسطة قوة خارجية، ويحدث التشوه عند تطبيق المجال الكهربائي، مما يحقق التحويل المتبادل للطاقة الميكانيكية والطاقة الكهربائية في العملية، وبالتالي لها مجموعة واسعة من التطبيقات في المعدات الإلكترونية والمجالات الإلكترونية الضوئية. بالنسبة للمواد الكهروإجهادية فإن الثابت الكهروإجهادي هو التعبير الأكثر شيوعًا وبديهية في الأداء، والذي يعكس المادة للإجهاد الميكانيكي أو المجال الكهربائي واتجاه المجال الكهربائي المتولد أو التشوه لحجم العلاقة. إحدى قيم التوصيف الأكثر استخدامًا هي قيمة d33، والتي ستتم مناقشتها في هذه الورقة من وجهة نظر علاقتها بخصائص وتطبيقات البلورات الكهرضغطية المختلفة.
الشكل 1 بلورات ورقائق الكوارتز
2 نظرة عامة على التأثير الكهرضغطية
2.1 البلورات الكهروإجهادية والتأثير الكهروإجهادي
البلورات الكهرضغطية هي مواد بلورية لها تأثير كهرضغطية. التأثير الكهروضغطي هو ظاهرة فيزيائية تحدث عندما تتشوه بعض المواد بفعل قوى خارجية، مما ينتج عنه انفصال الشحنة داخل المادة، وبالتالي توليد مجال كهربائي عند طرفي المادة. وعلى العكس من ذلك، عندما يتم تطبيق مجال كهربائي على هذه المواد، تخضع المادة لتشوه ميكانيكي. يوجد التأثير الكهرضغطية بشكل أساسي في بلورات معينة لا تحتوي على بنية متناظرة مركزية، مثل تيتانات الباريوم (BaTiO3) وتيتانات زركونات الرصاص (PZT) والكوارتز (SiO2).
2.2 الثوابت الكهروإجهادية
الثوابت الكهرضغطية هي مجموعة من المعلمات التي تميز قدرة مادة كهرضغطية على تحويل محرك تحت ضغط ميكانيكي ومجال كهربائي. وهي المعاملات الرئيسية التي تربط بين الكميات الكهربائية والميكانيكية، وتعكس على وجه التحديد التشوه الميكانيكي للمادة أو توزيع الشحنة تحت مجال كهربائي مطبق أو إجهاد ميكانيكي. وعادةً ما يُشار إلى هذه الثوابت بـ dij أو gij أو eij، إلخ، مع كون dij هو الأكثر شيوعًا.
1. ثابت dij (ثابت الانفعال): يُستخدم لوصف العلاقة بين الانفعال الناتج عن المادة تحت تأثير مجال كهربائي مطبَّق وشدة المجال الكهربائي. يمثل I و j اتجاه المجال الكهربائي المطبق واتجاه الانفعال الناتج.
2. يصف ثابت gij (ثابت الإجهاد) العلاقة بين المجال الكهربي الناتج عن المادة تحت تأثير إجهاد ميكانيكي والإجهاد. يمثل I و j اتجاه الإجهاد الميكانيكي المطبق واتجاه المجال الكهربائي المتولد، على التوالي.
3. يصف ثابت eij (ثابت شحنة الإجهاد) العلاقة بين كثافة الشحنة المتولدة من المادة الكهرضغطية تحت الإجهاد الميكانيكي والإجهاد. يمثل I و j اتجاه الإجهاد المطبق واتجاه الشحنة المتولدة، على التوالي.
2.3 ثابت D33
تمثّل قيمة d33 التناسب بين الإجهاد الناتج عن المادة في اتجاه الاستقطاب (عادةً في الاتجاه 3) وشدة المجال الكهربائي المطبّق عند تطبيق المجال الكهربائي على المادة في هذا الاتجاه. وتعني قيمة d33 الأعلى أن المادة يمكنها توليد إجهاد ميكانيكي أكبر عند تطبيق مجال كهربائي، أو مجال كهربائي أقوى عند تطبيق إجهاد ميكانيكي. وهذا يشير إلى أن المادة فعالة في التحويل الحركي ويمكنها تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية أو الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية بكفاءة أكبر.
ويؤثر مقدار قيمة d33 تأثيرًا مباشرًا على أداء المادة الكهرضغطية وبالتالي يؤثر على فعالية المادة الكهرضغطية في التطبيقات. في المستشعرات الكهرضغطية الكهرضغطية، كلما زادت قيمة d33، زادت حساسية المادة واستجابتها، حيث يمكن أن ينتج المستشعر الذي يستقبله الضغط أو الإجهاد الميكانيكي الخارجي إشارة كهربائية أكثر وضوحًا. في المشغلات الكهرضغطية، يمكن للمواد ذات قيم d33 الأعلى أن تولّد إجهادات أو إزاحة أكبر عند تطبيق مجال كهربائي، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب تحكمًا أكثر دقة وإخراج طاقة عالية. في حصادات الطاقة الكهروضغطية يمكن للمواد ذات قيم D33 العالية تحويل الطاقة الميكانيكية في البيئة إلى طاقة كهربائية بكفاءة أكبر، مما يحسن كفاءة استخدام الطاقة.
3 العوامل المؤثرة على قيم D33
3.1 البنية البلورية
يؤثر التماثل والثوابت الشبكية للبلورة تأثيرًا مهمًا على قيمة D33. عادةً ما يكون للبلورات منخفضة التماثل (على سبيل المثال، أحادية أو ثلاثية الكلينيك) معاملات كهرضغطية أعلى لأنها تسمح بتشويه أكبر للشبكة. تميل الثوابت الشبكية الأكبر إلى وجود مساحة أكبر قابلة للتشوه، مما قد يحسن من الخصائص الكهرضغطية.
الشكل 2 البلورات ذات الثوابت الكهرضغطية ذات التماثل المنخفض
3.2 تركيب المواد
يمكن أن يؤثر تخدير العناصر المختلفة في المواد الكهرضغطية بشكل كبير على قيمة d33. على سبيل المثال، في مادة PZT، يمكن تحسين الخواص الكهروضغطية في PZT عن طريق تعديل نسبة التيتانيوم إلى الزركونيوم. بالإضافة إلى ذلك، تؤثر النسبة المتكافئة في المادة على قيمة d33. قد يؤدي الانحراف عن النسبة التكافئية المثالية إلى حدوث عيوب بلورية، مما يؤثر على الخواص الكهروضغطية.
3.3 المعالجة
تؤثر درجة حرارة التلبيد ووقت التلبيد للمواد الخزفية الكهروإجهادية على بنيتها المجهرية وحجم حبيباتها، مما يؤثر بدوره على قيمة d33. يمكن لظروف التلبيد المناسبة تحسين حجم الحبيبات وتقليل عيوب حدود الحبيبات. تُعد معالجة الاستقطاب خطوة رئيسية لتعزيز الخصائص الكهروإجهادية من خلال تطبيق مجال كهربائي في درجات حرارة عالية، حيث يتم توجيه ثنائيات القطب داخل المادة في نفس الاتجاه، وبالتالي تحسين قيمة d33.
3.4 البنية المجهرية
يؤثر حجم الحبيبات تأثيرًا كبيرًا على قيمة d33. بشكل عام، يكون حجم الحبيبات المتوسط (مستوى الميكرون) مواتٍ لتحسين الخواص الكهروضغطية بينما يؤدي حجم الحبيبات الكبير جدًا أو الصغير جدًا إلى انخفاض قيم d33. تؤثر عيوب حدود الحبيبات على الخواص الكهرضغطية، ويساعد تقليل عيوب حدود الحبيبات على تحسين قيم d33. يقلل تركيز الإجهاد وتراكم الشحنات عند حدود الحبيبات من الخواص الكهرضغطية.
3.5 الظروف الخارجية
تؤثر درجة الحرارة تأثيرًا كبيرًا على قيمة d33. تُظهر معظم المواد الكهرضغطية خصائص كهرضغطية مثالية بالقرب من درجة حرارة كوري، ولكن تنخفض قيمة d33 عند درجة حرارة عالية جدًا أو منخفضة جدًا. يمكن أن تؤثر الضغوط والإجهادات الميكانيكية الخارجية أيضًا على قيم d33. في بعض المواد، يمكن أن يؤدي الإجهاد المسبق المناسب إلى تحسين الخواص الكهروإجهادية المناسبة، ولكن يمكن أن يؤدي الإجهاد الزائد إلى تكسير المادة أو تدهورها.
3.6 كهروكهربائية المواد
إن بنية المجال الكهروضغطية لمادة كهرضغطية لها تأثير مباشر على قيمة d33. تعمل حركة جدار المجال الأكبر على تحسين الاستجابة الكهرضغطية للمادة. تؤثر العلاقة بين اتجاه الاستقطاب واتجاه إجهاد المادة أيضًا على قيمة d33، وعادةً ما يتم الحصول على أفضل استجابة كهرضغطية عندما يكون اتجاه الاستقطاب هو نفس اتجاه الإجهاد.
الشكل 3 مخطط تخطيطي لترتيب ثنائي القطب الكهربائي ومنحنيات الاستجابة الكهربية في التحولات الطورية الكهروضغطية
3.7 المجال الكهربائي والتردد
لقوة واتجاه المجال الكهربائي المطبق تأثير كبير على قيمة d33. يمكن أن يعزز المجال الكهربائي المناسب الاستجابة الكهروإجهادية للمادة. ويؤثر تردد المجال الكهربائي المطبق أيضًا على قيمة d33، حيث تُظهر بعض المواد خواص كهرضغطية معززة للرنين عند ترددات محددة.
4 خواص وتطبيقات المواد الكهروضغطية الشائعة
4.1 الكوارتز
الكوارتز ( SiO2) هو مادة كهرضغطية كهرضغطية موجودة بشكل طبيعي وتستخدم على نطاق واسع في مختلف الأجهزة الإلكترونية والبصرية. إنه نظام بلوري سداسي الشكل ذو تناظر عالٍ، وتعتمد خواصه الكهرضغطية على اتجاه البلورة واتجاه الضغط. وعادةً ما يكون للكوارتز قيمة d33 حوالي 2 - 3 pC/N، وهي قيمة منخفضة نسبيًا. على الرغم من القيمة المنخفضة نسبيًا للثابت الكهروضغطي d33 للكوارتز، إلا أن خواصه الفيزيائية الفريدة وثباته الممتاز يجعله غير قابل للاستبدال في مجالات محددة.
ويتمتع الكوارتز بثبات فيزيائي وكيميائي ممتاز، وهو قادر على الحفاظ على خصائص كهرضغطية مستقرة في ظل مجموعة متنوعة من الظروف البيئية. وبالإضافة إلى ذلك، فإن عامل الجودة العالية للكوارتز يجعله متفوقًا على المواد الأخرى في المذبذبات والمرنانات، مما يوفر ثباتًا أعلى للتردد وفقدانًا أقل للطاقة. يضمن معامل درجة الحرارة المنخفضة للكوارتز استقرار التردد على نطاق واسع من درجات الحرارة، وهي ميزة مهمة في التطبيقات عالية الدقة. هذه الخصائص تجعل الكوارتز يستخدم على نطاق واسع على الرغم من أن قيمة d33 منخفضة نسبيًا.
تُستخدم بلورات الكوارتز على نطاق واسع في المذبذبات والمرنانات في الأجهزة الإلكترونية لتوفير مراجع تردد مستقرة. ويضمن عامل الجودة العالية ومعامل درجة الحرارة المنخفضة للكوارتز ثبات التردد وانخفاض الفقد على مدى فترات طويلة. يستخدم الكوارتز أيضًا في المستشعرات الكهرضغطية لقياس القوة والضغط والتسارع. تتفوق حساسات الكوارتز في الدقة والثبات على المدى الطويل، مما يجعلها مناسبة للقياسات عالية الدقة والمراقبة طويلة الأجل. يُستخدم الكوارتز أيضًا في المغيرات الضوئية وأجهزة اتصالات الألياف البصرية. وتمنحه شفافية الكوارتز العالية والامتصاص المنخفض تطبيقات مهمة في البصريات، خاصة في اتصالات الليزر والألياف البصرية.
الشكل 4 حلقات رقاقات رقاقة الكوارتز
4.2 تيتانات الباريوم
تيتانات الباريوم ( BaTiO3) هي مادة خزفية كهرضغطية شائعة اجتذبت الكثير من الاهتمام في العديد من التطبيقات بسبب خصائصها الكهروضغطية الممتازة وقيم d33 العالية. يحتوي تيتانات الباريوم على بنية كالكوجينيد (ABO3)، وتُظهر هذه البنية كهرضغطية وكهرو كهربائية حديدية جيدة في نطاق درجة حرارة محددة. تبلغ قيمة d33 لتيتانات الباريوم تيتانات الباريوم عادةً حوالي 100 - 200 pC/N. وهذه قيمة عالية نسبيًا. وهذه قيمة مرتفعة نسبيًّا، وهو ما يشير إلى أن تيتانات الباريوم قادرة على إنتاج إجهاد ميكانيكي كبير عند تطبيق مجال كهربائي.
يمكن لتيتانات الباريوم ذات قيمة d33 العالية أن تحسِّن كفاءة تحويل المحرك للمادة بشكل كبير. تتمتّع تيتانات الباريوم بكهربائية حديدية في نطاق درجة حرارة محدّدة، ما يمكّنها من الحفاظ على خصائص كهرضغطية مستقرة على نطاق واسع من درجات الحرارة. تتمتع مواد تيتانات الباريوم بثبات كيميائي ممتاز وقوة ميكانيكية ممتازة، مما يجعلها مناسبة لفترات طويلة من الاستخدام في البيئات القاسية. مواد سيراميك الباريوم تيتانات الباريوم سهلة المعالجة والقولبة، ومناسبة للإنتاج بكميات كبيرة، وتستخدم على نطاق واسع في المجالات الصناعية.
نظرًا لقيمتها العالية d33 وخصائصها الكهروضغطية الممتازة، تُستخدم تيتانات الباريوم على نطاق واسع في مجموعة متنوعة من المجالات. يُستخدم تيتانات الباريوم لتصنيع مستشعرات الضغط ومستشعرات التسارع ومستشعرات الاهتزاز. تمكّن قيمة d33 العالية لتيتانات الباريوم تيتانات الباريوم هذه المستشعرات من اكتشاف الإجهاد الميكانيكي والاهتزاز بحساسية، مما يوفر قياسات حساسة وعالية الدقة. يُستخدم تيتانات الباريوم أيضاً لتصنيع مشغّلات دقيقة، مثل مشغّلات الإزاحة الدقيقة ومحولات الطاقة فوق الصوتية، القادرة على توليد تشوهات ميكانيكية كبيرة عند تطبيق مجال كهربائي، ما يتيح تحكماً دقيقاً ومخرجات عالية الطاقة. إن خصائص تيتانات الباريوم تجعلها تُستخدم على نطاق واسع في حصادات الطاقة لتحويل الطاقة الميكانيكية (مثل الاهتزاز والضغط) في البيئة إلى طاقة كهربائية. تمكّن كفاءة تحويل الطاقة المحسّنة حصادات الطاقة من جمع الطاقة وتخزينها بكفاءة أكبر للأجهزة التي تعمل بالطاقة الذاتية والأجهزة القابلة للارتداء. يمكّن ثابت العزل الكهربائي العالي والخصائص الكهروضغطية الجيدة مكثفات تيتانات الباريوم من التفوق في التطبيقات عالية التردد والجهد العالي، مما يوفر كثافة طاقة عالية وثباتًا.
4.3 تيتانات زركونات الرصاص (PZT)
تتمتع PZT بتأثير كهرضغطية قوي، والذي ينتج عنه فصل كبير للشحنات تحت ضغط ميكانيكي، مما يخلق مجالاً كهربائيًا؛ وعلى العكس، فإنه يحفز تشوهًا ميكانيكيًا كبيرًا تحت مجال كهربائي مطبق. يحتوي PZT على بنية كالكوجينيد (ABO3)، ويمكن ضبط خصائصه الكهرضغطية والكهرضغطية عن طريق تغيير نسبة الزر والتيار.
عادةً ما تكون قيمd33 من PZT في نطاق 200 - 600 pC/N، مما يجعل PZT واحدة من المواد ذات الخصائص الكهروضغطية العالية. تشير قيم d33 الأعلى إلى أن PZT قادرة على توليد إجهاد ميكانيكي كبير عند تطبيق مجال كهربائي في اتجاه الاستقطاب (عادةً ما يكون في الاتجاه 3). وهذا يشير إلى أن PZT فعالة للغاية في تحويل المحرك. وقد أدت قيمة d33 الأعلى التي تتمتع بها مادة PZT إلى تحسين كفاءة تحويل المحرك للمادة بشكل كبير، مما يسمح لها بالتفوق في التطبيقات الكهرضغطية عالية الأداء. ومن خلال ضبط نسبة الزركونيوم إلى التيتانيوم، يمكن تحسين الخصائص الكهرضغطية والكهرضغطية لمادة PZT لتطبيقات مختلفة. تتمتع مواد PZT بثبات كيميائي وقوة ميكانيكية ممتازة ويمكن استخدامها في البيئات القاسية لفترات طويلة. من السهل معالجة سيراميك PZT وتشكيله، مما يجعلها مناسبة للإنتاج على نطاق واسع وتستخدم على نطاق واسع في التطبيقات الصناعية.
الشكل 5 صفيحة سيراميك زركونات تيتانات الرصاص
4.4 أكسيد الزنك (ZnO)
أكسيد الزنك ( ZnO) هو مادة شبه موصلة ذات خصائص كهروضغطية ممتازة، وعادةً ما تكون قيمة d33 في نطاق 5-12 pC/N. وعلى الرغم من أن قيمة d33 لأكسيد الزنك (ZnO) أعلى من قيمة d33 لأكسيد الزنك (ZnO)، إلا أن قيمة d33 لأكسيد الزنك أقل من قيمة d33 لأكسيد الزنك. على الرغم من أن قيمة d33 من ZnO منخفضة نسبيًا مقارنةً بالمواد الكهروضغطية التقليدية مثل تيتانات زركونات الرصاص (PZT) وتيتانات الباريوم (BaTiO3)، إلا أن خصائصه الفريدة تجعله واعدًا لمجموعة واسعة من التطبيقات في العديد من المجالات. ويتميز أكسيد الزنك ببنية الزنك الليفية السداسية، وهي بنية تمنح خصائص كهرضغطية ممتازة ومعاملات اقتران كهروميكانيكية عالية. إن أكسيد الزنك قادر على توليد إجهاد ميكانيكي كبير عند تطبيق مجال كهربائي في اتجاه استقطابه (عادةً في اتجاه المحور c)، وهو ليس بقوة بعض السيراميك الكهرضغطية عالية الأداء، ولكنه كافٍ لبعض التطبيقات المحددة.
إن الخصائص الكهرضغطية لأكسيد الزنك تجعله ممتازًا للاستخدام في مجالات مثل المولدات النانوية وأجهزة الاستشعار الكهرضغطية وأجهزة الموجات الصوتية السطحية. في مولدات النانو، يمكن لمصفوفات أسلاك الزنك النانوية تحويل الطاقة الميكانيكية (مثل الاهتزاز والضغط) إلى طاقة كهربائية بشكل فعال، وعلى الرغم من انخفاض قيم d33، يمكن تحسين كفاءة حصاد الطاقة بشكل كبير من خلال تحسين البنية النانوية وتصميم المصفوفة. في المستشعرات الكهرضغطية، فإن الحساسية العالية والاستجابة الجيدة للتردد لأكسيد الزنك تجعله مناسبًا للكشف عن الضغوط الميكانيكية الصغيرة وتغيرات الضغط. وبالإضافة إلى ذلك، يُستخدم أكسيد الزنك على نطاق واسع في أجهزة الموجات الصوتية السطحية، حيث تتيح خصائصه الكهرضغطية وأشباه الموصلات الممتازة معالجة إشارات الموجات الصوتية عالية الأداء.
وتشمل نقاط قوة أكسيد الزنك أيضًا ثباته الكيميائي الجيد وتوافقه الحيوي، مما يمنحه إمكانات كبيرة في المجال الطبي الحيوي. على سبيل المثال، يمكن استخدام مستشعرات أسلاك أكسيد الزنك النانوية للكشف عن الجزيئات الحيوية ودراسات الميكانيكا الخلوية، والجمع بين خصائصها الكهرضغطية وخصائص أشباه الموصلات لتمكين الكشف الحساس والانتقائي للغاية. كما تتوسع تطبيقات أكسيد الزنك في مجالات الاستشعار البيئي وحصاد الطاقة. وعلى الرغم من قيمة d33 المنخفضة نسبيًا، فإن تعدد استخدامات أكسيد الزنك وقابلية ضبطه تجعله مادة كهرضغطية قيّمة لمجموعة متنوعة من التطبيقات.
الشكل 6 أكسيد الزنك البلوري شبه الموصل
4.5 نيوبات الليثيوم (LiNbO₃)
نيوبيات الليثيوم ( LiNbO3) هي مادة كهرضغطية ذات خصائص كهرضغطية كبيرة، مع قيم d33 عادةً في نطاق 6-20 pC/N. على الرغم من أن قيم d33 لمادة LiNbO3 ليست عالية مثل قيم بعض السيراميك الكهرضغطية عالية الأداء (على سبيل المثال، تيتانات زركونات الرصاص)، إلا أن خصائصها الفيزيائية الفريدة تجعلها مهمة للتطبيقات في الأجهزة الإلكترونية الضوئية والصوتية. تتميز نيوبات الليثيوم ببنية نظام بلوري ثلاثي الأجزاء مما يمنحها خصائص كهروضغطية وبصرية ممتازة. إن نيوبيات الليثيوم قادرة على توليد إجهاد ميكانيكي كبير عند تطبيق مجال كهربائي في اتجاه الاستقطاب، عادةً في اتجاه المحور c.
وتسمح الخواص الكهرضغطية لنيوبات الليثيوم بالتفوق في المغيرات الضوئية وأجهزة الموجات الصوتية السطحية والأجهزة البصرية غير الخطية. في المُعدِّلات الضوئية، يمكن لنيوبات الليثيوم تحقيق تعديل إشارة ضوئية عالية السرعة ودقيقة بسبب معاملها الكهروضوئي العالي وخصائصها الكهرضغطية الجيدة؛ وفي أجهزة الموجات السطحية الصوتية، تستفيد نيوبات الليثيوم من سرعة انتشار الموجات الصوتية العالية وخصائصها الكهرضغطية لتحقيق معالجة ونقل إشارة الموجات الصوتية عالية الكفاءة، والتي تستخدم على نطاق واسع في الاتصالات اللاسلكية وتصفية الإشارات. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم نيوبات الليثيوم على نطاق واسع في الأجهزة البصرية غير الخطية. فخصائصه البصرية غير الخطية الممتازة تجعله مادة مثالية لتحويل التردد والمذبذبات البارامترية البصرية.
تشمل مزايا نيوبيات الليثيوم أيضًا قوتها الميكانيكية العالية وثباتها الكيميائي ونافذة الشفافية الواسعة، مما يسمح لها بالحفاظ على أداء جيد في مجموعة واسعة من البيئات القاسية. وهذا يعطي نيوبيات الليثيوم إمكانات كبيرة للتطبيقات الفضائية والعسكرية والصناعية. على سبيل المثال، في مجال الطيران، يمكن استخدام مستشعرات نيو بليت الليثيوم في مجال الفضاء الجوي للكشف عن القوة والضغط عالي الدقة؛ وفي المجال العسكري، يمكن استخدام الخصائص البصرية والكهرضغطية لنيوبات الليثيوم في أجهزة التدابير المضادة الإلكترونية الضوئية المتقدمة ومعدات الاتصالات. أما في التطبيقات الصناعية، فإن ثبات الليثيوم نيوبات الليثيوم في درجات الحرارة العالية ومقاومته للإشعاع يجعله مناسباً لمعدات المراقبة والتحكم في البيئات القاسية. على الرغم من أن نيوبات الليثيوم لها قيمة D33 منخفضة نسبيًا، إلا أن تعدد استخداماتها وخصائصها الإلكترونية الضوئية الممتازة تجعلها مادة كهرضغطية قيّمة في مجموعة متنوعة من التطبيقات.
تين. 7 بلورات LiNbO3
4.6 تانتالات الليثيوم (LiTaO₃)
تُعدتانتالات الليثيوم ( LiTaO3) مادة كهرضغطية مهمة بقيم d33 عادةً في نطاق 5-18 pC/N. تقع قيم d33 لمادة LiTaO3 في نطاق 5-18 pC/N. على الرغم من أن قيمة d33 لمادة LiTaO3 أقل قليلاً من بعض السيراميك الكهرضغطية عالية الأداء (على سبيل المثال، تيتانات زركونات الرصاص)، فإن خصائصها الفيزيائية والكيميائية الفريدة تجعلها تستخدم على نطاق واسع في الأجهزة الإلكترونية الضوئية والصوتية. وتتميز تانتالات الليثيوم ببنية نظام بلوري ثلاثي الأجزاء مما يمنحها خصائص كهروضغطية وبصرية ممتازة. عندما يتم تطبيق مجال كهربائي في اتجاه استقطابها (عادةً اتجاه المحور c)، فإن تانتالات الليثيوم قادرة على توليد إجهاد ميكانيكي كبير. على الرغم من أن قيم d33 منخفضة نسبيًا، إلا أنها كافية للعديد من التطبيقات الإلكترونية الضوئية والإلكترونية الصوتية.
وتسمح الخواص الكهرضغطية لتنتالات الليثيوم بالتفوق في أجهزة الموجات الصوتية السطحية، والمعدِّلات الضوئية، والأجهزة البصرية غير الخطية. في أجهزة الموجات السطحية الصوتية، تستخدم تانتالات الليثيوم سرعة انتشار الموجات الصوتية العالية وخصائصها الكهرضغطية الجيدة لتحقيق معالجة ونقل إشارات الموجات الصوتية بكفاءة عالية، والتي تستخدم على نطاق واسع في الاتصالات اللاسلكية وتصفية الإشارات; في المُعدِّلات الضوئية، يمكن لتنتالات الليثيوم تحقيق تعديل إشارة ضوئية عالية السرعة ودقيقة من خلال معاملها الكهروضوئي العالي وخصائصها الكهرضغطية الجيدة؛ بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم تانتالات الليثيوم على نطاق واسع في الأجهزة البصرية غير الخطية، كما أن خصائصها البصرية غير الخطية الممتازة تجعلها مادة مثالية لتحويل التردد والمذبذبات البارامترية البصرية.
تشمل مزايا تانتالات الليثيوم أيضًا قوتها الميكانيكية العالية وثباتها الكيميائي ونافذة الشفافية الواسعة، مما يسمح لها بالحفاظ على أداء جيد في البيئات القاسية. وهذا يمنح تانتالات الليثيوم إمكانات كبيرة للاستخدام في التطبيقات الفضائية والعسكرية والصناعية. على سبيل المثال، في مجال الطيران، يمكن استخدام مستشعرات تانتالات الليثيوم في الفضاء الجوي للكشف عن القوة والضغط عالي الدقة؛ وفي المجال العسكري، يمكن استخدام الخصائص البصرية والكهرضغطية لتانتالات الليثيوم في معدات التدابير المضادة الإلكترونية الضوئية المتقدمة ومعدات الاتصالات؛ وفي التطبيقات الصناعية، فإن ثبات تانتالات الليثيوم في درجات الحرارة العالية ومقاومتها للإشعاع يجعلها مناسبة للاستخدام في البيئات القاسية لمعدات المراقبة والتحكم. على الرغم من قيمة d33 المنخفضة نسبيًا، فإن تعدد الاستخدامات والخصائص الإلكترونية الضوئية الممتازة لتنتالات الليثيوم تجعلها مادة كهرضغطية قيّمة في مجموعة متنوعة من التطبيقات.
الشكل 8 بلورات LiTaO3
5 الخلاصة
يؤثر التأثير الكهروضغطي والثوابت المرتبطة به (خاصة قيمة d33) بشكل مباشر على أداء المواد الكهروضغطية ويحدد كفاءتها وفعاليتها في تطبيقات مثل أجهزة الاستشعار والمشغلات وحاصرات الطاقة. تشمل العوامل التي تؤثر على قيمة d33 البنية البلورية، وتكوين المواد، والمعالجة، والبنية المجهرية، والظروف الخارجية، وكهربائية المادة الكهربائية، والمجال الكهربائي والتردد المطبقين، والتي تعمل معًا بطرق متنوعة لتحديد الخصائص النهائية للمواد الكهرضغطية.
وتلتزم Stanford Advanced Materials (SAM) بتوفير مواد كهرضغطية من الدرجة الأولى تزيد من إمكانات قيم d33، مما يضمن أداءً وموثوقية عالية في مختلف التطبيقات العملية.
قراءة ذات صلة:
