日本研究人员查明压电机理

2016-08-300阅读0

  日本东京工业大学与东京大学的研究小组2016年8月23日宣布,通过实验证实,在压电体的晶体中,电极化方向的转动会使压电特性升高。借助这一发现,有望开发出不使用破坏环境的铅的新压电材料。

  

正方晶(左)、菱方晶(中)、MA型单斜晶压电体(右)的晶体结构

  正方晶相与菱方晶相由电极化的方向(箭头)固定,而单斜晶相的极化方向可以在粉红色的面内转动(图片来自东工大的发布资料)

  压电体受外力作用会产生电荷,对其施加电压会引起变形。作为转换电和运动(变形)的物质,压电体被应用到了超声波诊断机、喷墨打印机、相机等各种电子产品的传感器和致动器中。现在主流的压电体叫作PZT,是钛酸铅与铅锆混合而成的固溶体材料,但在这种材料中,铅的重量占到了68%,因此人们一直希望开发出一种无铅的替代物质。

  

MC型单斜晶、MA型单斜晶、正方晶结构的模式图(上)与压电特性的Co置换量依赖性 (图片来自东工大的发布资料)

  按照推测,PZT之所以具备优秀的压电特性,是因为菱面体钙钛矿“铅锆”与正方晶钙钛矿“钛酸铅”的相界存在低对称性的单斜晶相,电极化的方向可以在晶体结构内发生变化(转动)。但这一推测并没有在实验中得到证实。

  此次研究中,研究人员从晶体结构的相似性出发,将焦点锁定在了由菱面体钙钛矿“铁酸铋”与正方晶钙钛矿“钴酸铋”混合而成的固溶体BiFe1-xCoxO3。已有研究表明,在这种固溶体中,存在与PZT中相同的MA型单斜晶相,其晶体结构能够发生电极化的转动。

  这一次,研究人员以可以评估压电特性的薄膜形态,成功制备出了稳定的BiFe1-xCoxO3。通过使用薄膜X射线衍射和扫描透射型电子显微镜详细分析其晶体结构,研究人员发现,随着钴的增加,晶体结构会从极化方向与PZT不同的MC型单斜晶相向MA型转变,进而转变为正方晶相。

  详细评估压电特性的结果表明,MA型单斜晶相会使压电特性升高。而且,晶体应变越大的结构,极化有转动的余地,压电特性也就越高。这意味着电极化方向发生转动会使压电特性升高,为提高钙钛矿压电体的压电特性指明了方向。

  此次成果已于2016年8月24日发表在德国科学期刊《Advanced Materials》的网络版上。(特约撰稿人:工藤宗介)

  (全文完)