Valores D33 en cristales piezoeléctricos: Implicaciones para aplicaciones prácticas
1 Introducción
Los materialespiezoeléctricos pueden generar un campo eléctrico cuando la deformación se produce por una fuerza externa, y la deformación se produce cuando se aplica el campo eléctrico, que realiza la conversión mutua de energía mecánica y energía eléctrica en el proceso, y por lo tanto tiene una amplia gama de aplicaciones en equipos electrónicos y campos optoelectrónicos. Para los materiales piezoeléctricos, la constante piezoeléctrica es la expresión de rendimiento más común e intuitiva, que refleja el material para la tensión mecánica o campo eléctrico y la dirección del campo eléctrico generado o deformación del tamaño de la relación. Uno de los valores de caracterización más utilizados es el valor d33, que será discutido en este trabajo desde el punto de vista de su relación con las propiedades y aplicaciones de diversos cristales piezoeléctricos.
Fig. 1 Cristales y obleas de cuarzo
2 Visión general del efecto piezoeléctrico
2.1 Cristales piezoeléctricos y efecto piezoeléctrico
Los cristales piezoeléctricos son materiales cristalinos que tienen un efecto piezoeléctrico. El efecto piezoeléctrico es un fenómeno físico que se produce cuando ciertos materiales son deformados por fuerzas externas, lo que produce una separación de cargas dentro del material, generando así un campo eléctrico en ambos extremos del material. A la inversa, cuando se aplica un campo eléctrico a estos materiales, el material sufre una deformación mecánica. El efecto piezoeléctrico se encuentra principalmente en ciertos cristales sin estructura centrosimétrica, como el titanato de bario (BaTiO3), el titanato de circonato de plomo (PZT) y el cuarzo (SiO2).
2.2 Constantes piezoeléctricas
Las constantes piezoeléctricas son un conjunto de parámetros que caracterizan la capacidad de un material piezoeléctrico para convertir un motor bajo tensión mecánica y campo eléctrico. Son los coeficientes clave que conectan las magnitudes eléctricas y mecánicas, reflejando específicamente la deformación mecánica de un material o la distribución de la carga bajo un campo eléctrico aplicado o un esfuerzo mecánico. Estas constantes suelen denominarse dij, gij, eij, etc., siendo dij la más común.
1. Constante dij (constante de deformación): se utiliza para describir la relación entre la deformación producida por el material bajo la acción de un campo eléctrico aplicado y la intensidad del campo eléctrico. I y j representan la dirección del campo eléctrico aplicado y la dirección de la deformación producida.
2. La constante gij (constante de tensión) describe la relación entre el campo eléctrico generado por el material sometido a tensión mecánica y la tensión. I y j representan la dirección de la tensión mecánica aplicada y la dirección del campo eléctrico generado, respectivamente.
3. La constante eij (constante tensión-carga) describe la relación entre la densidad de carga generada por el material piezoeléctrico sometido a tensión mecánica y la tensión. I y j representan la dirección de la tensión aplicada y la dirección de la carga generada, respectivamente.
2.3 Constante D33
El valor de d33 representa la proporcionalidad entre la deformación producida por el material en la dirección de polarización (normalmente la dirección 3) y la fuerza del campo eléctrico aplicado cuando el campo eléctrico se aplica al material en esa dirección. Un valor d33 más alto significa que el material puede generar una mayor deformación mecánica cuando se aplica un campo eléctrico, o un campo eléctrico más fuerte cuando se aplica una tensión mecánica. Esto indica que el material es eficiente en la conversión motriz y puede convertir la energía eléctrica en energía mecánica o la energía mecánica en energía eléctrica de forma más eficiente.
La magnitud del valor d33 tiene un impacto directo en el rendimiento del material piezoeléctrico y, en consecuencia, afecta a la eficacia del material piezoeléctrico en las aplicaciones. En los sensores piezoeléctricos, cuanto mayor sea el valor d33, mayor será la sensibilidad y la capacidad de respuesta del material, ya que el sensor recibido por la tensión mecánica externa o la presión puede producir una señal eléctrica más evidente. En los actuadores piezoeléctricos, los materiales con valores d33 más altos pueden generar mayores tensiones o desplazamientos cuando se aplica un campo eléctrico, lo que los hace adecuados para aplicaciones que requieren un control de mayor precisión y una salida de alta potencia. En los captadores de energía piezoeléctricos, los materiales con valores d33 elevados pueden convertir de forma más eficiente la energía mecánica del entorno en energía eléctrica, mejorando la eficiencia de la utilización de la energía.
3 Factores que afectan a los valores D33
3.1 Estructura cristalina
La simetría y las constantes de red del cristal tienen una influencia importante en el valor d33. Los cristales de baja simetría (por ejemplo, monoclínicos o triclínicos) suelen tener coeficientes piezoeléctricos más altos porque permiten una mayor distorsión de la red. Las constantes de red más grandes tienden a implicar un mayor espacio deformable, lo que puede mejorar las propiedades piezoeléctricas.
Fig. 2 Los cristales con piezoelectricidad tienen menor simetría
3.2 Composición del material
El dopaje de diferentes elementos en los materiales piezoeléctricos puede afectar significativamente al valor d33. Por ejemplo, en el PZT, las propiedades piezoeléctricas pueden optimizarse ajustando la proporción de titanio y circonio. Además, la relación estequiométrica en el material afecta al valor d33. La desviación de la relación estequiométrica ideal puede dar lugar a defectos en el cristal, afectando a las propiedades piezoeléctricas.
3.3 Procesado
La temperatura y el tiempo de sinterización de los materiales cerámicos piezoeléctricos afectan a su microestructura y al tamaño del grano, lo que a su vez afecta al valor d33. Unas condiciones de sinterización adecuadas pueden optimizar el tamaño de grano y reducir los defectos en los límites de grano. El tratamiento de polarización es un paso clave para mejorar las propiedades piezoeléctricas, mediante la aplicación de un campo eléctrico a altas temperaturas, los dipolos dentro del material se orientan en la misma dirección, mejorando así el valor d33.
3.4 Microestructura
El tamaño de grano tiene un efecto significativo en el valor d33. En general, un tamaño de grano intermedio (nivel de micras) es favorable para mejorar las propiedades piezoeléctricas, mientras que un tamaño de grano demasiado grande o demasiado pequeño conduce a una disminución de los valores d33. Los defectos en los límites de grano afectan a las propiedades piezoeléctricas, y la reducción de los defectos en los límites de grano ayuda a mejorar los valores d33. La concentración de tensiones y la acumulación de cargas en los límites de grano reducen las propiedades piezoeléctricas.
3.5 Condiciones externas
La temperatura tiene un efecto significativo sobre el valor d33. La mayoría de los materiales piezoeléctricos presentan propiedades piezoeléctricas óptimas cerca de la temperatura de Curie, pero el valor d33 disminuye a temperaturas demasiado altas o demasiado bajas. Las tensiones y deformaciones mecánicas externas también pueden afectar a los valores d33. En algunos materiales, un pretensado adecuado puede mejorar las propiedades piezoeléctricas, pero una tensión excesiva puede provocar el agrietamiento o la degradación del material.
3.6 Ferroelectricidad de los materiales
La estructura del dominio ferroeléctrico de un material piezoeléctrico tiene un efecto directo sobre el valor d33. Un mayor movimiento de la pared del dominio mejora la respuesta piezoeléctrica del material. La relación entre la dirección de polarización y la dirección de tensión del material también afecta al valor d33, y la mejor respuesta piezoeléctrica se obtiene normalmente cuando la dirección de polarización es la misma que la dirección de tensión.
Fig. 3 Diagrama esquemático de la disposición del dipolo eléctrico y de las curvas de respuesta de la electrodeposición en las transiciones de fase ferroeléctricas
3.7 Campo eléctrico y frecuencia
La intensidad y la dirección del campo eléctrico aplicado tienen un efecto significativo sobre el valor d33. Un campo eléctrico adecuado puede mejorar la respuesta piezoeléctrica de un material. La frecuencia del campo eléctrico aplicado también afecta al valor d33, ya que algunos materiales presentan propiedades piezoeléctricas mejoradas por resonancia a frecuencias específicas.
4 Propiedades y aplicaciones de los materiales piezoeléctricos más comunes
4.1 Cuarzo
El cuarzo (SiO2) es un material piezoeléctrico natural ampliamente utilizado en diversos dispositivos electrónicos y ópticos. Es un sistema cristalino hexagonal con alta simetría, y sus propiedades piezoeléctricas dependen de la orientación del cristal y de la dirección de la tensión. El cuarzo suele tener valores d33 en torno a 2 - 3 pC/N, que es relativamente bajo. A pesar del valor relativamente bajo de la constante piezoeléctrica d33 del cuarzo, sus propiedades físicas únicas y su excelente estabilidad lo hacen insustituible en campos específicos.
El cuarzo posee una excelente estabilidad física y química y es capaz de mantener estables sus propiedades piezoeléctricas en diversas condiciones ambientales. Además, el factor de alta calidad del cuarzo lo hace superior a otros materiales en osciladores y resonadores, proporcionando una mayor estabilidad de frecuencia y una menor pérdida de energía. El coeficiente de baja temperatura del cuarzo garantiza la estabilidad de frecuencia en un amplio rango de temperaturas, una ventaja importante en aplicaciones de alta precisión. Estas propiedades hacen que el cuarzo sea ampliamente utilizado a pesar de tener un valor d33 relativamente bajo.
Los cristales de cuarzo se utilizan ampliamente en osciladores y resonadores de dispositivos electrónicos para proporcionar referencias de frecuencia estables. El factor de alta calidad y el coeficiente de baja temperatura del cuarzo garantizan la estabilidad de frecuencia y una baja pérdida durante largos periodos. El cuarzo también se utiliza en sensores piezoeléctricos para medir la fuerza, la presión y la aceleración. Los sensores de cuarzo destacan por su precisión y estabilidad a largo plazo, lo que los hace idóneos para mediciones de alta precisión y monitorización a largo plazo. El cuarzo también se utiliza en moduladores ópticos y dispositivos de comunicación por fibra óptica. La alta transparencia y la baja absorción del cuarzo le confieren importantes aplicaciones en óptica, especialmente en las comunicaciones por láser y fibra óptica.
Fig. 4 Anillos de oblea de cuarzo
4.2 Titanato de bario
El titanato de bario (BaTiO3) es un material cerámico piezoeléctrico común que ha atraído mucha atención en muchas aplicaciones debido a sus excelentes propiedades piezoeléctricas y altos valores d33. El titanato de bario tiene una estructura de calcogenuro (ABO3), y esta estructura exhibe buena piezoelectricidad y ferroelectricidad en un rango específico de temperaturas. El valor d33 para el titanato de bario suele estar en torno a 100 - 200 pC/N. Se trata de un valor relativamente alto. Se trata de un valor relativamente alto. Se trata de un valor relativamente alto, lo que indica que el titanato de bario es capaz de producir una deformación mecánica significativa cuando se aplica un campo eléctrico.
El titanato de bario con un valor d33 elevado puede mejorar significativamente la eficiencia de conversión motriz del material. El titanato de bario tiene ferroelectricidad en un rango de temperaturas específico, lo que le permite mantener propiedades piezoeléctricas estables en un amplio intervalo de temperaturas. Los materiales de titanato de bario tienen una excelente estabilidad química y resistencia mecánica, lo que los hace adecuados para largos periodos de uso en entornos difíciles. Los materiales cerámicos de titanato de bario son fáciles de procesar y moldear, aptos para la producción en masa y ampliamente utilizados en campos industriales.
Debido a su alto valor d33 y a sus excelentes propiedades piezoeléctricas, el titanato de bario se utiliza ampliamente en diversos campos. El titanato de bario se utiliza para fabricar sensores de presión, sensores de aceleración y sensores de vibración. El elevado valor d33 del titanato de bario permite a estos sensores detectar con sensibilidad las tensiones mecánicas y las vibraciones, proporcionando mediciones susceptibles y de alta resolución. El titanato de bario también se utiliza para fabricar actuadores de precisión, como actuadores de microdesplazamiento y transductores ultrasónicos, capaces de generar grandes deformaciones mecánicas cuando se aplica un campo eléctrico, lo que permite un control preciso y una salida de alta potencia. Las características del titanato de bario hacen que se utilice ampliamente en cosechadores de energía para convertir la energía mecánica (por ejemplo, vibración, presión) del entorno en energía eléctrica. La mejora de la eficiencia de conversión de la energía permite a los captadores de energía recoger y almacenar energía de forma más eficiente para dispositivos autoalimentados y wearables. La elevada constante dieléctrica y las buenas propiedades piezoeléctricas permiten que los condensadores de titanato de bario destaquen en aplicaciones de alta frecuencia y alto voltaje, proporcionando alta densidad de energía y estabilidad.
4.3 Titanato de circonato de plomo (PZT)
El PZT tiene un fuerte efecto piezoeléctrico, que produce una importante separación de cargas bajo tensión mecánica, creando un campo eléctrico; a la inversa, induce una importante deformación mecánica bajo un campo eléctrico aplicado. El PZT tiene una estructura de calcogenuro (ABO3) y sus propiedades piezoeléctricas y ferroeléctricas pueden ajustarse variando la proporción de Zr y Ti.
Los valores d33 del PZT suelen estar en el rango de 200 - 600 pC/N, lo que hace del PZT uno de los materiales con altas propiedades piezoeléctricas. Los valores d33 más altos implican que el PZT es capaz de generar una deformación mecánica significativa cuando se aplica un campo eléctrico en su dirección de polarización (normalmente en la dirección 3). Esto indica que el PZT es muy eficiente en la conversión motriz. El mayor valor d33 que presenta el PZT mejora significativamente la eficiencia de conversión motriz del material, lo que le permite destacar en aplicaciones piezoeléctricas de alto rendimiento. Ajustando la proporción de circonio y titanio, las propiedades piezoeléctricas y ferroeléctricas del PZT pueden optimizarse para distintas aplicaciones. Los materiales PZT tienen una excelente estabilidad química y resistencia mecánica y pueden utilizarse en entornos agresivos durante largos periodos. Las cerámicas PZT son fáciles de procesar y moldear, lo que las hace adecuadas para la producción a gran escala y se utilizan ampliamente en aplicaciones industriales.
Fig. 5 Lámina cerámica de titanato de circonato de plomo
4.4 Óxido de zinc (ZnO)
El óxido de zinc (ZnO) es un material semiconductor con excelentes propiedades piezoeléctricas, y su valor d33 suele estar en el rango de 5-12 pC/N. Aunque el ZnO tiene un valor d33 más alto que el ZnO, tiene un valor d33 más bajo que el ZnO. Aunque el valor d33 del ZnO es relativamente bajo en comparación con los materiales piezoeléctricos convencionales como el titanato de circonato de plomo (PZT) y el titanato de bario (BaTiO3), sus propiedades únicas lo hacen prometedor para una amplia gama de aplicaciones en muchos campos. El óxido de zinc tiene una estructura de zincita fibrilada hexagonal, una estructura que le confiere excelentes propiedades piezoeléctricas y elevados coeficientes de acoplamiento electromecánico. El óxido de zinc es capaz de generar una tensión mecánica significativa cuando se aplica un campo eléctrico en la dirección de su polarización (normalmente en la dirección del eje c), que no es tan fuerte como la de algunas cerámicas piezoeléctricas de alto rendimiento, pero es suficiente para algunas aplicaciones específicas.
Las propiedades piezoeléctricas del óxido de zinc lo hacen excelente para su uso en áreas como los nanogeneradores, los sensores piezoeléctricos y los dispositivos de ondas acústicas superficiales. En los nanogeneradores, las matrices de nanocables de ZnO pueden convertir eficazmente la energía mecánica (por ejemplo, la vibración y la compresión) en energía eléctrica y, a pesar de sus bajos valores d33, las eficiencias de captación de energía pueden mejorarse significativamente mediante la optimización de la nanoestructura y el diseño de las matrices. En los sensores piezoeléctricos, la alta sensibilidad y la buena respuesta en frecuencia del óxido de zinc lo hacen adecuado para detectar pequeñas tensiones mecánicas y cambios de presión. Además, el óxido de zinc se utiliza ampliamente en dispositivos de ondas acústicas superficiales, donde sus excelentes propiedades piezoeléctricas y semiconductoras permiten un procesamiento de señales de ondas acústicas de alto rendimiento.
Entre los puntos fuertes del óxido de zinc figuran también su buena estabilidad química y biocompatibilidad, lo que le confiere un gran potencial en el campo biomédico. Por ejemplo, los sensores de nanocables de óxido de zinc pueden utilizarse para la detección biomolecular y los estudios de mecánica celular, combinando sus propiedades piezoeléctricas y sus características semiconductoras para permitir una detección altamente sensible y selectiva. Las aplicaciones del óxido de zinc también se están ampliando en los campos de la detección medioambiental y la captación de energía. A pesar de su valor d33 relativamente bajo, la versatilidad y sintonizabilidad del óxido de zinc lo convierten en un valioso material piezoeléctrico para una gran variedad de aplicaciones.
Fig. 6 Cristal semiconductor de óxido de zinc
4.5 Niobato de litio (LiNbO₃)
El Niobato de Litio (LiNbO3) es un material ferroeléctrico con propiedades piezoeléctricas significativas, con valores d33 típicamente en el rango 6-20 pC/N. Aunque los valores d33 del LiNbO3 no son tan altos como los de algunas cerámicas piezoeléctricas de alto rendimiento (por ejemplo, el titanato de circonato de plomo), sus propiedades físicas únicas lo hacen importante para aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos y acústicos. El niobato de litio tiene una estructura de sistema cristalino tripartito, que le confiere excelentes propiedades piezoeléctricas y ópticas. El niobato de litio es capaz de generar una deformación mecánica significativa cuando se aplica un campo eléctrico en la dirección de la polarización, normalmente en la dirección del eje c.
Las propiedades piezoeléctricas del niobato de litio le permiten destacar en moduladores ópticos, dispositivos de ondas acústicas superficiales y dispositivos ópticos no lineales. En los moduladores ópticos, el niobato de litio puede realizar una modulación de señales ópticas precisa y de alta velocidad gracias a su elevado coeficiente electroóptico y a sus buenas propiedades piezoeléctricas; en los dispositivos de ondas acústicas superficiales, el niobato de litio aprovecha su elevada velocidad de propagación de ondas acústicas y sus propiedades piezoeléctricas para realizar un procesamiento y una transmisión de señales de ondas acústicas muy eficientes, que se utilizan ampliamente en las comunicaciones inalámbricas y el filtrado de señales. Además, el niobato de litio también se utiliza ampliamente en dispositivos ópticos no lineales. Sus excelentes propiedades ópticas no lineales lo convierten en un material ideal para la conversión de frecuencias y los osciladores paramétricos ópticos.
Entre las ventajas del niobato de litio figuran también su gran resistencia mecánica, estabilidad química y amplia ventana de transparencia, lo que le permite mantener un buen rendimiento en una amplia gama de entornos adversos. Esto confiere al niobato de litio un gran potencial para aplicaciones aeroespaciales, militares e industriales. Por ejemplo, en el sector aeroespacial, los sensores de niobato de litio pueden utilizarse para la detección de fuerza y presión de alta precisión; en el militar, las propiedades ópticas y piezoeléctricas del niobato de litio pueden emplearse en contramedidas optoelectrónicas avanzadas y equipos de comunicación. En aplicaciones industriales, la estabilidad a altas temperaturas y la resistencia a la radiación del niobato de litio lo hacen adecuado para equipos de vigilancia y control en entornos difíciles. Aunque el niobato de litio tiene un valor D33 relativamente bajo, su versatilidad y sus excelentes propiedades optoelectrónicas lo convierten en un valioso material piezoeléctrico en diversas aplicaciones.
Fig. 7 Cristales de LiNbO3
4.6 Tantalato de litio (LiTaO₃)
El tantalato de litio (LiTaO3) es un importante material piezoeléctrico con valores d33 típicamente en el rango de 5-18 pC/N. Los valores d33 del LiTaO3 están en el rango de 5-18 pC/N. Aunque el valor d33 del LiTaO3 es ligeramente inferior al de algunas cerámicas piezoeléctricas de alto rendimiento (por ejemplo, el titanato de circonato de plomo), sus propiedades físicas y químicas únicas hacen que se utilice ampliamente en dispositivos optoelectrónicos y acústicos. El tantalato de litio tiene una estructura de sistema cristalino tripartito que le confiere excelentes propiedades piezoeléctricas y ópticas. Cuando se aplica un campo eléctrico en su dirección de polarización (normalmente la dirección del eje c), el tantalato de litio es capaz de generar una tensión mecánica significativa. Aunque los valores d33 son relativamente bajos, son suficientes para muchas aplicaciones optoelectrónicas y acustoelectrónicas.
Las propiedades piezoeléctricas del tantalato de litio le permiten destacar en dispositivos de ondas acústicas superficiales, moduladores ópticos y dispositivos ópticos no lineales. En los dispositivos de ondas acústicas superficiales, el tantalato de litio utiliza su alta velocidad de propagación de ondas acústicas y sus buenas propiedades piezoeléctricas para lograr un procesamiento y una transmisión de señales de ondas acústicas muy eficientes, que se utilizan ampliamente en las comunicaciones inalámbricas y el filtrado de señales; en moduladores ópticos, el tantalato de litio puede lograr una modulación de señales ópticas precisa y de alta velocidad gracias a su elevado coeficiente electroóptico y sus buenas propiedades piezoeléctricas; además, el tantalato de litio también se utiliza ampliamente en dispositivos ópticos no lineales, y sus excelentes propiedades ópticas no lineales lo convierten en un material ideal para la conversión de frecuencias y los osciladores paramétricos ópticos.
Entre las ventajas del tantalato de litio figuran también su gran resistencia mecánica, estabilidad química y amplia ventana de transparencia, lo que le permite mantener un buen rendimiento en entornos adversos. Esto confiere al tantalato de litio un gran potencial para su uso en aplicaciones aeroespaciales, militares e industriales. Por ejemplo, en el sector aeroespacial, los sensores de tantalato de litio pueden utilizarse para la detección de fuerza y presión de alta precisión; en el militar, las propiedades ópticas y piezoeléctricas del tantalato de litio pueden emplearse en contramedidas optoelectrónicas avanzadas y equipos de comunicaciones; y en aplicaciones industriales, la estabilidad a altas temperaturas y la resistencia a la radiación del tantalato de litio lo hacen adecuado para su uso en entornos adversos para equipos de vigilancia y control. A pesar de su valor d33 relativamente bajo, la versatilidad y las excelentes propiedades optoelectrónicas del tantalato de litio lo convierten en un valioso material piezoeléctrico en diversas aplicaciones.
Fig. 8 Cristales de LiTaO3
5 Conclusión
El efecto piezoeléctrico y sus constantes asociadas (especialmente el valor d33) afectan directamente al rendimiento de los materiales piezoeléctricos y determinan su eficiencia y eficacia en aplicaciones como sensores, actuadores y captadores de energía. Entre los factores que afectan al valor d33 se encuentran la estructura cristalina, la composición del material, el procesamiento, la microestructura, las condiciones externas, la ferroelectricidad del material y el campo eléctrico y la frecuencia aplicados, que actúan conjuntamente de diversas formas para determinar las propiedades finales de los materiales piezoeléctricos.
Stanford Advanced Materials (SAM) se compromete a proporcionar materiales piezoeléctricos de primera calidad que maximicen el potencial de los valores d33, garantizando un alto rendimiento y fiabilidad en diversas aplicaciones prácticas.
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