Una mirada más de cerca al cristal piezoeléctrico

Introducción

Los cristales piezoeléctricos son una clase de materiales cristalinos capaces de inducir cambios en la distribución de la carga y generar respuestas de campo eléctrico mediante tensión mecánica. Las propiedades únicas de este material lo hacen útil en muchos campos, especialmente en la tecnología de sensores y la conversión de energía. La característica principal es que los cristales piezoeléctricos deforman o redistribuyen la carga cuando se aplica una tensión mecánica o un campo eléctrico, lo que permite una conversión eficiente entre energía eléctrica y mecánica. Con el avance de la tecnología, los campos de aplicación de los cristales piezoeléctricos se están ampliando. Desde los materiales inteligentes hasta las tecnologías de recuperación de energía, su potencial innovador genera nuevas oportunidades y soluciones para la industria. Por lo tanto, un conocimiento profundo de las propiedades y aplicaciones de los cristales piezoeléctricos es esencial para comprender el rumbo de la tecnología moderna.

¿Qué es un cristal piezoeléctrico?

Un cristal piezoeléctrico es un cristal no centrosimétrico. Cuando se somete a una fuerza mecánica, se deforma, provocando el desplazamiento relativo de los puntos plasmáticos cargados. Esto da lugar a la aparición de cargas ligadas positivas y negativas en la superficie del cristal. Cuando se elimina la fuerza externa, el cristal vuelve a su estado sin carga. Este fenómeno se conoce como efecto piezoeléctrico.

El cristal piezoeléctrico tiene un eje polar con una diferencia de potencial en ambos extremos, lo que se conoce como piezoelectricidad. La cantidad de carga producida por una fuerza aplicada a un cristal es directamente proporcional a la magnitud de la fuerza externa. A la inversa, si se aplica un campo eléctrico al cristal, éste se deformará mecánicamente en una dirección determinada; cuando se retira el campo eléctrico aplicado, la deformación desaparece. Este fenómeno se denomina efecto piezoeléctrico inverso, también conocido como efecto de electrostricción.

El cristal (α-cuarzo) es un cristal piezoeléctrico muy conocido. Entre los cristales piezoeléctricos más comunes se encuentran la esfalerita, la calcita, la turmalina, la zincita roja, el GaAs, el titanato de bario y sus cristales estructurales derivados, el KH2PO4, el NaKC4H4O6-4H2O (sal de roseta) y el azúcar de mesa.

Fig. 1 Cristales naturales de cuarzo

Características de la estructura cristalina de los cristales piezoeléctricos

Los cristales piezoeléctricos suelen tener una estructura cristalina no centrosimétrica. Losmateriales piezoeléctricos comunes como el cuarzo (SiO₂), el titanato de bario (BaTiO₃) y la cerámica PZT (titanato de circonio y plomo) entran en esta categoría.

En una estructura cristalina no centrosimétrica, los dipolos eléctricos (es decir, los centros de carga) no se anulan entre sí, de modo que todo el cristal presenta un momento dipolar eléctrico neto. Los dipolos eléctricos (formados por centros de carga positivos y negativos) dentro de un cristal piezoeléctrico suelen estar distribuidos aleatoriamente en estado natural y no presentan polarización macroscópica. Mediante un tratamiento de polarización (calentamiento por encima de la temperatura de Curie, aplicación de un campo eléctrico intenso y posterior enfriamiento), los dipolos eléctricos pueden reorganizarse en presencia de un campo eléctrico aplicado para alinearlos en la dirección del campo eléctrico, lo que confiere al material un estado de polarización permanente.

Fig. 2 Estructura cristalina del cuarzo (SiO2)

Principios de los fenómenos piezoeléctricos

Cuando se aplica una tensión mecánica a un cristal piezoeléctrico (por ejemplo, compresión o estiramiento), pequeños desplazamientos de los dipolos eléctricos en el interior del cristal dan lugar a una redistribución de los centros de carga, generando una carga en la superficie del cristal. Esta distribución de la carga produce una diferencia de potencial que puede medirse y expresarse como tensión piezoeléctrica. Este proceso de generación de carga por presión es el efecto piezoeléctrico positivo.

Por consiguiente, cuando se aplica un campo eléctrico a un cristal piezoeléctrico, los dipolos eléctricos del interior del cristal se reorganizan o giran en respuesta al campo eléctrico, lo que produce una deformación mecánica del cristal. Esta deformación puede impulsar el movimiento mecánico, como en un actuador piezoeléctrico. Este fenómeno se denomina efecto piezoeléctrico inverso.

Fig. 3 Efecto piezoeléctrico

Está causado principalmente por la reordenación de los dipolos eléctricos y el acoplamiento de la tensión y el campo eléctrico. La reorganización de los dipolos eléctricos se produce principalmente por encima de la temperatura de Curie, cuando la estructura cristalina del material piezoeléctrico permite que los dipolos eléctricos giren libremente. Cuando se aplica un campo eléctrico, los dipolos eléctricos se alinean a lo largo de la dirección del campo eléctrico. Al enfriarse, la dirección de alineación de los dipolos eléctricos se fija, haciendo que el material muestre una polarización macroscópica. El efecto de acoplamiento de la tensión y el campo eléctrico se manifiesta en que, cuando se aplica una tensión mecánica, la estructura cristalina sufre pequeños cambios y se alteran las posiciones relativas de los dipolos eléctricos, lo que conduce a la redistribución de los centros de carga y a la generación de cargas eléctricas; cuando se aplica un campo eléctrico, la reordenación de los dipolos eléctricos conduce a la deformación de la estructura cristalina y a la generación de tensiones mecánicas.

Polarización de cristales piezoeléctricos

¿Qué es la polarización?

La polarización de los cristales piezoeléctricos consiste en alinear los dipolos eléctricos de un material piezoeléctrico en una dirección específica mediante la aplicación de un campo eléctrico intenso. Este proceso confiere al material la capacidad de adquirir el efecto piezoeléctrico y maximizar sus propiedades piezoeléctricas.

Fig. 4 Polarización cerámica

Pasos del tratamiento de polarización

1. Preparación de los materiales: Los materiales piezoeléctricos (por ejemplo, titanato de bario, cerámica PZT, etc.) se preparan con la forma y el tamaño deseados.

2. 2.Calentamiento: Se calienta el material por encima de su temperatura de Curie. La temperatura de Curie es la temperatura a la que el material pasa de una fase ferroeléctrica a una fase cis-eléctrica. A esta temperatura, los dipolos eléctricos dentro del material se encuentran en un estado orientado aleatoriamente.

3. Campo eléctrico aplicado: Se aplica un campo eléctrico intenso (normalmente de unos miles de voltios por milímetro) al material a una temperatura elevada. Este campo eléctrico hace que los dipolos eléctricos del interior del material se reorganicen y se alineen en la dirección del campo eléctrico.

4. Enfriamiento: El material se enfría por debajo de la temperatura de Curie mientras se mantiene el campo eléctrico. Durante el proceso de enfriamiento, los dipolos eléctricos permanecen alineados a lo largo de la dirección del campo eléctrico, dando lugar a un estado de polarización permanente del material.

5. Eliminación del campo eléctrico: Una vez enfriado el material a temperatura ambiente, se puede retirar el campo eléctrico externo, momento en el que el material ha adquirido propiedades piezoeléctricas permanentes.

Principio del proceso de polarización

Cuando el material está por encima de la temperatura de Curie, el material piezoeléctrico se encuentra en la fase cis, y los dipolos eléctricos son libres de girar y reorganizarse. En este momento para fortalecer el campo eléctrico para que el dipolo eléctrico a lo largo de la dirección de la alineación del campo eléctrico, la formación de una dirección de polarización unificada. Una vez alcanzada la dirección de polarización deseada, se baja la temperatura para permitir el enfriamiento. El proceso de enfriamiento fija la alineación de los dipolos para que permanezcan polarizados en ausencia de un campo eléctrico externo.

Importancia del tratamiento de polarización

El tratamiento de la polarización es fundamental para el rendimiento de los materiales piezoeléctricos. Los materiales no polarizados no presentan efectos piezoeléctricos significativos, y las propiedades piezoeléctricas (por ejemplo, el coeficiente piezoeléctrico) de los materiales polarizados mejoran considerablemente, lo que les permite convertir eficazmente la energía mecánica y eléctrica. Es a través de la polarización que los materiales piezoeléctricos pueden lograr su rendimiento superior en aplicaciones tales como sensores, actuadores y componentes electrónicos.

Materiales piezoeléctricos comunes y sus aplicaciones

1. Cuarzo

Elcuarzo es un cristal piezoeléctrico natural ampliamente utilizado, debido a su estabilidad y alto rendimiento en muchos campos. Su composición química para el sistema cristalino hexagonal de dióxido de silicio (SiO2), la apariencia del cristal transparente incoloro general. El bajo coeficiente de dilatación térmica (el cuarzo ordinario tiene un coeficiente de dilatación térmica de aproximadamente 0,5*10^-6/°C) y el factor de alta calidad (el cuarzo tiene un factor de calidad de aproximadamente 115*1000) permiten al cuarzo destacar en osciladores y filtros de alta frecuencia incluso con coeficientes piezoeléctricos relativamente bajos. El cuarzo tiene una excelente estabilidad química y mecánica y mantiene sus propiedades piezoeléctricas en un amplio rango de temperaturas.

Los cristales de cuarzo suelen prepararse tanto de forma natural, extraídos de las minas, como sintéticamente, sintetizados. Como mineral natural, los cristales de cuarzo son relativamente fáciles y baratos de obtener. El cuarzo sintético puede utilizarse a menudo para satisfacer requisitos de gran pureza y tamaños específicos. El corte y el procesamiento de los cristales de cuarzo pueden controlarse con precisión para garantizar un rendimiento óptimo en la aplicación. Las diferentes direcciones de corte afectan a las propiedades piezoeléctricas del cuarzo, como el corte AT y el corte BT.

Los osciladores de cristal de cuarzo se utilizan en dispositivos electrónicos como relojes de cuarzo, ordenadores y teléfonos móviles para proporcionar referencias horarias precisas. Los filtros fabricados con cristales de cuarzo pueden utilizarse en dispositivos de comunicación inalámbrica para garantizar la calidad y estabilidad de la transmisión de señales. Los cristales de cuarzo también se utilizan en sensores de presión, acelerómetros y micrófonos para convertir vibraciones mecánicas en señales eléctricas en una amplia gama de equipos de automatización industrial, aeroespaciales y de audio.

Las aplicaciones del cuarzo en dispositivos de ondas acústicas superficiales (SAW) incluyen filtros SAW y sensores SAW para el procesamiento de señales y la monitorización medioambiental. En equipos ópticos, los cristales de cuarzo se utilizan para fabricar moduladores ópticos, prismas y lentes. En los equipos de ultrasonidos, los transductores ultrasónicos de cristal de cuarzo se utilizan para diagnósticos médicos y pruebas industriales. En el campo de la metrología y los equipos de ensayo, los cristales de cuarzo se utilizan como fuentes de frecuencia estándar en frecuencímetros y generadores de señales. El cuarzo ocupa una posición indispensable en la tecnología y la industria modernas debido a su gran estabilidad, alta precisión y bajo coste.

Fig. 5 Filtros de cristal de cuarzo

2 Titanato de bario

El titanato debario (BaTiO3), normalmente cristales incoloros o blancos, tiene una estructura de calcogenuro (con diferentes fases cristalinas a diferentes temperaturas, como tetragonal, cúbica y hexagonal). Las propiedades piezoeléctricas del titanato de bario tienen su origen en la transición de fase cristalina y la ruptura de simetría en su estructura de calcogenuro debido a los cambios de temperatura. El titanato de bario mantiene sus propiedades piezoeléctricas en una amplia gama de temperaturas, lo que lo hace adecuado para su uso en diversas condiciones ambientales.

Las elevadas constantes piezoeléctricas del titanato de bario (d31 es de aproximadamente -80 x 10^-12 C/N, mientras que d33 es de aproximadamente 190 x 10^-12 C/N) le confieren un excelente rendimiento en muchas aplicaciones. La elevada constante dieléctrica del titanato de bario le confiere una alta capacitancia en aplicaciones de condensadores. A temperatura ambiente, su constante dieléctrica natural es de aproximadamente 1200.

En los dispositivos electrónicos, el titanato de bario se utiliza en la fabricación de condensadores cerámicos multicapa (MLCC), que tienen una alta capacitancia y un tamaño reducido y se utilizan ampliamente en teléfonos inteligentes, ordenadores y electrodomésticos. En el campo de los sensores, el titanato de bario se emplea en la fabricación de sensores de presión y de aceleración, que se utilizan en la automatización industrial, los equipos médicos y la electrónica del automóvil.

El titanato de bario también se emplea en la fabricación de actuadores piezoeléctricos, que producen deformación mecánica bajo tensión y se utilizan en sistemas de posicionamiento de precisión, sistemas microelectromecánicos (MEMS) y alineación óptica. Los transductores ultrasónicos son otra aplicación importante del titanato de bario, muy utilizado en diagnósticos médicos por ultrasonidos, ensayos industriales no destructivos y equipos de limpieza por ultrasonidos.

El titanato de bario también se utiliza en filtros y resonadores piezoeléctricos de sistemas de comunicación inalámbricos para garantizar la claridad de la señal y la calidad de la transmisión. Además, las propiedades piezoeléctricas del titanato de bario se utilizan para desarrollar dispositivos piezoeléctricos de captación de energía que convierten la vibración mecánica o la energía cinética del entorno en energía eléctrica para alimentar dispositivos de baja potencia.

El titanato de bario también tiene aplicaciones en convertidores electroacústicos como altavoces y micrófonos, que convierten señales eléctricas en ondas sonoras o viceversa. Sus aplicaciones en dispositivos médicos incluyen instrumentos médicos de accionamiento piezoeléctrico, como microbombas y sistemas de administración de fármacos de precisión. Debido a su elevada constante piezoeléctrica y a su buena estabilidad, el titanato de bario desempeña un papel importante en la electrónica moderna, las comunicaciones, la medicina y la automatización industrial.

Fig. 6 Condensadores cerámicos multicapa

3 Titanato de circonato de plomo (PZT)

El titanato decirconato de plomo (PZT) es un material cerámico piezoeléctrico muy importante y ampliamente utilizado. Su fórmula química es Pb(ZrₓTi₁₋ₓ)O₃, y la estructura del PZT puede variar con diferentes relaciones Zr/Ti, incluida la estructura de tipo calcosina. El PZT experimenta transiciones de fase (por ejemplo, de fases tetragonales a cúbicas) a diferentes temperaturas, y estas transiciones afectan a sus propiedades piezoeléctricas.

En los dispositivos ultrasónicos, el PZT se utiliza para fabricar transductores destinados al diagnóstico médico por ultrasonidos, los ensayos industriales no destructivos y los sistemas de sonar submarinos. El campo de los sensores utiliza el efecto piezoeléctrico del PZT para fabricar sensores de presión y de aceleración para aplicaciones de automatización industrial, dispositivos médicos, sistemas de seguridad para automóviles y control sísmico.

Los actuadores piezoeléctricos de PZT producen deformaciones mecánicas bajo la acción de un campo eléctrico y se utilizan para posicionamiento de precisión, ajustes ópticos y control de movimiento fino en dispositivos de impresión y microscopios. Además, los materiales PZT se utilizan como filtros y resonadores piezoeléctricos en sistemas de comunicación inalámbrica para garantizar la claridad de la señal y la calidad de la transmisión.

En la captación de energía, el PZT convierte la energía mecánica o vibratoria del entorno en energía eléctrica para alimentar redes de sensores inalámbricos y dispositivos portátiles. El PZT también se utiliza para fabricar altavoces y micrófonos que convierten las señales eléctricas en ondas sonoras o viceversa. Su elevada constante piezoeléctrica y su alto coeficiente de acoplamiento electromecánico hacen que desempeñe un papel importante en los campos de la electrónica moderna, las comunicaciones, la medicina y la automatización industrial.

Fig. 7 Lámina cerámica piezoeléctrica de titanato de circonato de plomo

4 Óxido de zinc (ZnO)

Elóxido de zinc tiene una estructura hexagonal wurtzita, que es una estructura no centrosimétrica que le confiere propiedades piezoeléctricas. Los iones Zn²⁺ y ^O²- de la estructura hexagonal wurtzita generan un momento dipolar eléctrico bajo tensión, lo que da lugar a un efecto piezoeléctrico. Este material tiene una elevada constante piezoeléctrica y un buen coeficiente de acoplamiento electromecánico.

El óxido de zinc (ZnO) como cristal piezoeléctrico tiene muchas aplicaciones en diversos campos debido a su elevada constante piezoeléctrica, alta sensibilidad y buena estabilidad química. En el campo de los sensores, el ZnO se utiliza para fabricar sensores de gas y sensores de presión, muy utilizados en la automatización industrial y la electrónica de consumo.

En el campo de los actuadores, el óxido de zinc se utiliza en actuadores de sistemas microelectromecánicos (MEMS) y dispositivos acústicos para el posicionamiento de precisión y la salida de audio de alta fidelidad. Las propiedades piezoeléctricas del óxido de zinc también se utilizan para la captación de energía, a través de nanogeneradores y captadores de energía piezoeléctricos que convierten la energía mecánica en energía eléctrica para alimentar dispositivos de baja potencia.

Además, el óxido de zinc se utiliza como material de electrodo transparente en dispositivos optoelectrónicos, diodos emisores de luz (LED) y fotodetectores para mejorar la eficiencia de la conversión fotoeléctrica. Los nanomateriales de óxido de zinc también se emplean en biosensores para detectar actividades biomoleculares y celulares, muy utilizados en diagnósticos médicos e investigaciones biológicas. Sus excelentes propiedades piezoeléctricas, optoelectrónicas y químicas hacen que el óxido de zinc sea muy valioso en aplicaciones modernas de electrónica, comunicaciones, medicina y automatización industrial.

Fig. 8 Varistores de óxido de zinc

5 Niobato de litio (LiNbO₃)

Elniobato de litio (LiNbO₃) es un importante material cristalino piezoeléctrico, ampliamente utilizado en muchos campos de alta tecnología debido a sus excelentes propiedades piezoeléctricas, electro-ópticas, ópticas no lineales y acústico-ópticas. El niobato de litio tiene un sistema cristalino tetragonal de estructura calcogenuro, la simetría no central de esta estructura le confiere propiedades piezoeléctricas y electroópticas, y el desplazamiento relativo de los iones de litio y los iones de niobio en la red bajo tensión produce el desplazamiento de los centros de carga positiva y negativa.

El niobato de litio tiene constantes piezoeléctricas y coeficientes de acoplamiento electromecánico elevados, lo que lo hace excelente para muchas aplicaciones. Como cristal piezoeléctrico, el niobato de litio (LiNbO₃) tiene una amplia gama de aplicaciones en varios campos debido a sus excelentes propiedades piezoeléctricas, electro-ópticas, acusto-ópticas y ópticas no lineales.

Con el niobato de litio se fabrican moduladores electroópticos y dispositivos de guía de ondas en dispositivos ópticos, que se utilizan ampliamente en comunicaciones ópticas y óptica integrada. En los dispositivos acústico-ópticos, el niobato de litio se utiliza en moduladores acústico-ópticos y líneas de retardo acústico-ópticas, que se emplean para modular y procesar haces de luz y señales de radiofrecuencia.

En el campo de los sensores, los acelerómetros y sensores de presión de niobato de litio se utilizan ampliamente en la industria aeroespacial, los sistemas de seguridad de la automoción, la vigilancia sísmica y la automatización industrial. Los filtros y resonadores piezoeléctricos de niobato de litio se utilizan en sistemas de comunicación inalámbricos para seleccionar y controlar las frecuencias, garantizando la claridad de la señal y la calidad de la transmisión.

En los dispositivos láser, las propiedades ópticas no lineales del niobato de litio se utilizan en la fabricación de multiplicadores de frecuencia y osciladores paramétricos ópticos para permitir la modulación de la frecuencia láser y el ajuste de la longitud de onda. Además, el niobato de litio tiene importantes aplicaciones en los campos de la medicina y la biotecnología, como en dispositivos médicos de ultrasonidos y biosensores que proporcionan imágenes de ultrasonidos de alta precisión y detección biomolecular.

Su elevada constante piezoeléctrica, su excelente efecto electro-óptico y su estabilidad química hacen del niobato de litio un material valioso para la electrónica moderna, las comunicaciones, la óptica y las aplicaciones médicas y de automatización industrial.

Fig. 9 Estructura cristalina del niobato de litio

6 Tantalato de litio (LiTaO₃)

Eltantalato de litio (LiTaO₃) es un importante material cristalino piezoeléctrico, ampliamente utilizado en muchos campos de alta tecnología debido a sus excelentes propiedades piezoeléctricas, electro-ópticas, acusto-ópticas y ópticas no lineales. El tantalato de litio tiene una estructura de calcita con un sistema cristalino tripartito, y esta estructura no centrosimétrica le confiere propiedades piezoeléctricas, electroópticas y ópticas no lineales. El tantalato de litio tiene una constante piezoeléctrica y un coeficiente de acoplamiento electromecánico elevados, que pueden convertir eficazmente la energía mecánica en eléctrica o viceversa.

Como cristal piezoeléctrico, el tantalato de litio (LiTaO₃) tiene una amplia gama de aplicaciones en diversos campos debido a sus excelentes propiedades piezoeléctricas, electroópticas, acustoópticas y ópticas no lineales.

En dispositivos ópticos, elLiTaO₃ se utiliza para fabricar moduladores electroópticos y dispositivos de guía de ondas ópticas, muy utilizados en comunicaciones ópticas y óptica integrada. En dispositivos acústico-ópticos, el tantalato de litio se utiliza en moduladores acústico-ópticos y líneas de retardo acústico-ópticas, que se emplean para modular y procesar haces de luz y señales de radiofrecuencia.

Para aplicaciones de sensores, los acelerómetros y sensores de presión basados en tantalato de litio son frecuentes en la industria aeroespacial, los sistemas de seguridad de la automoción, la vigilancia sísmica y la automatización industrial. Sus filtros y resonadores piezoeléctricos son esenciales en los sistemas de comunicación inalámbrica para seleccionar y controlar las frecuencias, garantizando así la claridad de la señal y la calidad de la transmisión.

Las propiedades ópticas no lineales del tantalato de litio son cruciales en los dispositivos láser, sobre todo en la fabricación de multiplicadores de frecuencia y osciladores paramétricos ópticos. Estos dispositivos permiten modular la frecuencia del láser y ajustar la longitud de onda. Además, el tantalato de litio tiene un uso importante en los sectores médico y biotecnológico, como en dispositivos médicos de ultrasonidos y biosensores que ofrecen imágenes de ultrasonidos de alta precisión y detección biomolecular.

Su robusta constante piezoeléctrica, su efecto electro-óptico superior y su excelente estabilidad química hacen que el tantalato de litio sea indispensable para las aplicaciones modernas de electrónica, comunicaciones, óptica, medicina y automatización industrial.

Fig. 10 Cristal de tantalato de litio

Conclusión

Los cristales piezoeléctricos tienen la función de interconvertir la energía mecánica y eléctrica debido a su especial microestructura. El descubrimiento y la aplicación de cristales piezoeléctricos como el cuarzo, el niobato de litio y el tantalato de litio no sólo han influido profundamente en la dirección del progreso científico y tecnológico moderno, sino que también han demostrado el gran potencial de la ciencia de los materiales para resolver problemas del mundo real.

Con la creciente demanda de nuevas propiedades de los materiales, las nuevas innovaciones en la tecnología de los cristales piezoeléctricos seguirán ampliando los límites de la tecnología humana y aportando más innovación y progreso a nuestra sociedad. Stanford Advanced Materials (SAM) está a la vanguardia del suministro de materiales piezoeléctricos de alta calidad para satisfacer estas crecientes necesidades tecnológicas.

Referencias:

[1] Nogueira A E F ,Campos B V R ,Nascimento D C P J , et al.Piezoelectric temperature acoustic sensor of LiNbO3 crystal fibers operating at radio frequencies[J].Journal of Crystal Growth,2024,643127799-127799.

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