Lista de materiales piezoeléctricos - List of piezoelectric materials

Esta página enumera las propiedades de varios materiales piezoeléctricos de uso común .

Los materiales piezoeléctricos (PM) se pueden clasificar en términos generales como cristalinos, cerámicos o poliméricos. Las cerámicas piezoeléctricas más comúnmente producidas son titanato de circonato de plomo (PZT), titanato de bario y titanato de plomo. El nitruro de galio y el óxido de zinc también pueden considerarse cerámicos debido a sus espacios de banda relativamente amplios . Los PM semiconductores ofrecen características tales como compatibilidad con circuitos integrados y dispositivos semiconductores. Los PM de cerámica inorgánica ofrecen ventajas sobre los monocristales, incluida la facilidad de fabricación en una variedad de formas y tamaños sin direcciones cristalográficas restringidas. Las partículas poliméricas orgánicas , como el PVDF , tienen un módulo de Young bajo en comparación con las partículas inorgánicas. Los polímeros piezoeléctricos (PVDF, 240 mV-m / N) poseen mayores constantes de tensión piezoeléctrica ( g 33 ), un parámetro importante en los sensores, que las cerámicas (PZT, 11 mV-m / N), lo que demuestra que pueden ser mejores sensores que cerámica. Además, los sensores y actuadores poliméricos piezoeléctricos, debido a su flexibilidad de procesamiento, pueden fabricarse fácilmente en grandes áreas y cortarse en una variedad de formas. Además, los polímeros también exhiben alta resistencia, alta resistencia al impacto, baja constante dieléctrica, baja rigidez elástica y baja densidad, por lo que una alta sensibilidad al voltaje es una característica deseable junto con una baja impedancia acústica y mecánica útil para aplicaciones médicas y subacuáticas.

Entre los PM, las cerámicas PZT son populares porque tienen una alta sensibilidad, un alto valor de g 33 . Sin embargo, son frágiles. Además, muestran una temperatura de Curie baja , lo que genera limitaciones en cuanto a aplicaciones en condiciones ambientales adversas. Sin embargo, es prometedora la integración de discos cerámicos en aparatos industriales moldeados de plástico. Esto dio como resultado el desarrollo de compuestos de polímero PZT y la integración factible de compuestos funcionales de PM a gran escala, mediante simple soldadura térmica o mediante procesos de conformación. Se han informado varios enfoques hacia la cerámica PM libre de plomo, como los monocristales piezoeléctricos (langasita) y las cerámicas ferroeléctricas con una estructura de perovskita y los ferroeléctricos estructurados en capas de bismuto (BLSF), que han sido ampliamente investigados. Además, varios ferroeléctricos con estructura de perovskita (BaTiO 3 [BT], (Bi 1/2 Na 1/2 ) TiO 3 [BNT], (Bi 1/2 K 1/2 ) TiO 3 [BKT], KNbO 3 [ KN], (K, Na) NbO 3 [KNN]) se han investigado por sus propiedades piezoeléctricas.

Propiedades piezoeléctricas clave

La siguiente tabla enumera las siguientes propiedades para materiales piezoeléctricos

  • Los coeficientes piezoeléctricos ( d 33 , d 31 , d 15, etc.) miden la deformación inducida por una tensión aplicada (expresada en metros por voltio). Los coeficientes d ij altos indican desplazamientos más grandes que se necesitan para los dispositivos transductores de motor. El coeficiente d 33 mide la deformación en la misma dirección (eje de polarización) que el potencial inducido, mientras que d 31 describe la respuesta cuando la fuerza se aplica perpendicular al eje de polarización. El coeficiente d 15 mide la respuesta cuando la tensión mecánica aplicada se debe a la deformación por cortante.
  • La permitividad relativa (ε r ) es la relación entre la permitividad absoluta del material piezoeléctrico, ε, y la permitividad del vacío, ε 0 .
  • El factor de acoplamiento electromecánico k es un indicador de la eficacia con la que un material piezoeléctrico convierte la energía eléctrica en energía mecánica, o convierte la energía mecánica en energía eléctrica. El primer subíndice ak denota la dirección a lo largo de la cual se aplican los electrodos; el segundo denota la dirección a lo largo de la cual se aplica o se desarrolla la energía mecánica.
  • El factor de calidad mecánica Q m es una propiedad importante de alta potencia de las cerámicas piezoeléctricas. Es la inversa de la pérdida mecánica tan ϕ.

Mesa

Cristales simples
Referencia Material y heteroestructura utilizada para la caracterización (electrodos / material, electrodo / sustrato) Orientación Coeficientes piezoeléctricos, d (pC / N) Permitividad relativa, ε r Factor de acoplamiento electromecánico, k Factor de calidad
Hutson 1963 AlN d 15 = -4,07 ε 33 = 11,4
d 31 = -2
d 33 = 5
Cook y col. 1963 BaTiO 3 d 15 = 392 ε 11 = 2920 k 15 = 0,57
d 31 = -34,5 ε 33 = 168 k 31 = 0,315
d 33 = 85,6 k 33 = 0,56
Warner y col. 1967 LiNbO 3 (Au-Au) <001> d 15 = 68 ε 11 = 84
d 22 = 21 ε 33 = 30
d 31 = -1 k 31 = 0,02
d 33 = 6 k t = 0,17
Smith y col. 1971 LiNbO 3 <001> d 15 = 69,2 ε 11 = 85,2
d 22 = 20,8 ε 33 = 28,2
d 31 = -0,85
d 33 = 6
Yamada y col. 1967 LiNbO 3 (Au-Au) <001> d 15 = 74 ε 11 = 84,6
d 22 = 21 ε 33 = 28,6 k 22 = 0,32
d 31 = -0,87 k 31 = 0,023
d 33 = 16 k 33 = 0,47
Yamada y col. 1969 LiTaO 3 d 15 = 26 ε 11 = 53
d 22 = 8.5 ε 33 = 44
d 31 = -3
d 33 = 9,2
Cao Et. al 2002 PMN-PT (33%) d 15 = 146 ε 11 = 1660 k 15 = 0,32
d 31 = -1330 ε 33 = 8200 k 31 = 0,59
d 33 = 2820 k 33 = 0,94
k t = 0,64
Badel y col. 2006 PMN-25PT <110> d 31 = -643 ε 33 = 2560 k 31 = -0,73 362
Kobiakov 1980 ZnO d 15 = -8,3 ε 11 = 8,67 k 15 = 0,199
d 31 = -5,12 ε 33 = 11,26 k 31 = 0,181
d 33 = 12,3 k 33 = 0,466
Zgonik y col. 1994 ZnO (puro con dopante de litio) d 15 = -13,3 k r = 8,2
d 31 = -4,67
d 33 = 12,0
Zgonik y col. 1994 BaTiO 3 monocristales [001] (dominio único) d 33 = 90
Zgonik y col. 1994 BaTiO 3 monocristales [111] (dominio único) d 33 = 224
Zgonik y col. 1994 BaTiO 3 monocristales [111] neutral (tamaño de dominio de 100 ľm) d 33 = 235 ε 33 = 1984 k 33 = 54,4
Zgonik y col. 1994 BaTiO 3 monocristales [111] neutral (tamaño de dominio de 60 ľm) d 33 = 241 ε 33 = 1959 k 33 = 55,9
Zgonik y col. 1994 BaTiO 3 monocristales [111] (tamaño de dominio de 22 ľm) d 33 = 256 ε 33 = 2008 k 33 = 64,7
Zgonik y col. 1994 BaTiO 3 monocristales [111] neutral (tamaño de dominio de 15 ľm) d 33 = 274 ε 33 = 2853 k 33 = 66,1
Zgonik y col. 1994 BaTiO 3 monocristales [111] neutral (tamaño de dominio de 14 ľm) d 33 = 289 ε 33 = 1962 k 33 = 66,7
Zgonik y col. 1994 BaTiO 3 monocristales [111] neutral d 33 = 331 ε 33 = 2679 k 33 = 65,2
Cristal LN d 31 = -4,5

d 33 = -0,27

Li y col. 2010 PMNT31 d 33 = 2000 ε 33 = 5100 k 31 = 80
d 31 = -750
Zhang y col. 2002 PMNT31-A 1400 ε 33 = 3600
Zhang y col. 2002 PMNT31-B 1500 ε 33 = 4800
Zhang y col. 2002 PZNT4.5 d 33 = 2100 ε 33 = 4400 k 31 = 83
d 31 = -900
Zhang y col. 2004 PZNT8 d 33 = 2500 ε 33 = 6000 k 31 = 89
d 31 = -1300
Zhang y col. 2004 PZNT12 d 33 = 576 ε 33 = 870 k 31 = 52
d 31 = -217
Yamashita y col. 1997 PSNT33 ε 33 = 960 /
Yasuda Et. al 2001 PINT28 700 ε 33 = 1500 /
Guo y col. 2003 PINT34 2000 ε 33 = 5000 /
Hosono y col. 2003 PIMNT 1950 ε 33 = 3630 /
Zhang y col. 2002 PYNT40 d 33 = 1200 ε 33 = 2700 k 31 = 76
d 31 = -500
Zhang y col. 2012 PYNT45 d 33 = 2000 ε 33 = 2000 k 31 = 78
Zhang y col. 2003 BSPT57 d 33 = 1200 ε 33 = 3000 k 31 = 77
d 31 = -560
Zhang y col. 2003 BSPT58 d 33 = 1400 ε 33 = 3200 k 31 = 80
d 31 = -670
Zhang y col. 2004 BSPT66 d 33 = 440 ε 33 = 820 k 31 = 52
d 31 = -162
Ye et al. 2008 BSPT57 d 33 = 1150

d 31 = -520

ε 33 = 3000 k 31 = 0,52

k 33 = 0,91

Ye et al. 2008 BSPT66 d 33 = 440 ε 33 = 820 k 31 = 0,52

k 33 = 0,88

d 31 = -162
Ye et al. 2008 PZNT4.5 d 33 = 2000

d 31 = -970

ε 33 = 5200 k 31 = 0,50

k 33 = 0,91

Ye et al. 2008 PZNT8 d 31 = -1455 ε 33 = 7700 k 31 = 0,60

k 33 = 0,94

Ye et al. 2008 PZNT12 d 33 = 576

d 31 = -217

ε 33 = 870 k 31 = 0,52

k 33 = 0,86

Ye et al. 2008 PMNT33 d 33 = 2820

d 31 = -1330

ε 33 = 8200 k 31 = 0,59

k 33 = 0,94

Matsubara y col. 2004 KNN modificado con KCN d 33 = 100

d 31 = -180

ε 33 = 220-330 k p = 33-39 1200
Ryu Et. al 2007 KZT modificadoKNN d 33 = 126 ε 33 = 590 k p = 42 58
Matsubara y col. 2005 KNN modificado por KCT d 33 = 190 ε 33 = k p = 42 1300
Wang y col. 2007 KNN dopado con Bi 2 O 3 d 33 = 127 ε 33 = 1309 k p = 28,3
Jiang anf al. 2009 dopado KNN-0.005BF d 33 = 257 ε 33 = 361 k p = 52 45
Cerámica
Referencia Material y heteroestructura utilizada para la caracterización (electrodos / material, electrodo / sustrato) Orientación Coeficientes piezoeléctricos, d (pC / N) Permitividad relativa, ε r Factor de acoplamiento electromecánico, k Factor de calidad
Berlincourt y col. 1958 BaTiO 3 d 15 = 270 ε 11 = 1440 k 15 = 0,57
d 31 = -79 ε 33 = 1680 k 31 = 0,49
d 33 = 191 k 33 = 0,47
Tang y col. 2011 BFO d 33 = 37 k t = 0,6
Zhang y col. 1999 PMN-PT d 31 = -74 ε 33 = 1170 k 31 = -0,312 283
PZT-5A d 31 = -171 ε 33 = 1700 k 31 = 0,34
d 33 = 374 k 33 = 0,7
PZT-5H d 15 = 741 ε 11 = 3130 k 15 = 0,68 sesenta y cinco
d 31 = -274 ε 33 = 3400 k 31 = 0,39
d 33 = 593 k 33 = 0,75
PZT-5K d 33 = 870 ε 33 = 6200 k 33 = 0,75
Tanaka y col. 2009 PZN7% PT d 33 = 2400 ε r = 6500 k 33 = 0,94

k t = 0,55

Pang y col. 2010 ANSZ d 33 = 295 1,61 45,5 84
Park y col. 2006 KNN-BZ d 33 = 400 2 57,4 48
Cho y col. 2007 KNN-BT d 33 = 225 1.06 36,0
Park y col. 2007 KNN-ST d 33 = 220 1,45 40,0 70
Zhao y col. 2007 KNN-CT d 33 = 241 1,32 41,0
Zhang y col. 2006 LNKN d 33 = 314 ~ 700 41,2
Saito y col. 2004 KNN-LS d 33 = 270 1,38 50,0
Saito y col. 2004 LF4 d 33 = 300 1,57
Tanaka y col. 2009 Orientado LF4 d 33 = 416 1,57 61,0
Pang y col. 2010 ANSZ d 33 = 295 1,61 45,5 84
Park y col. 2006 KNN-BZ d 33 = 400 2 57,4 48
Cho y col. 2007 KNN-BT d 33 = 225 1.06 36,0
Park y col. 2007 KNN-ST d 33 = 220 1,45 40,0 70
Maurya y col. 2013 KNN-CT d 33 = 241 1,32 41,0
Maurya y col. 2013 NBT-BT (001) Muestras texturizadas d 33 = 322 ...
Gao y col. 2008 NBT-BT-KBT (001) Muestras texturizadas d 33 = 192
Zou y col. 2016 NBT-KBT (001) Muestras texturizadas d 33 = 134 k p = 35
Saito y col. 2004 NBT-KBT (001) Muestras texturizadas d 33 = 217 k p = 61
Chang y col. 2009 KNLNTS (001) Muestras texturizadas d 33 = 416 k p = 64
Chang Et. al 2011 KNNS (001) Muestras texturizadas d 33 = 208 k p = 63
Hussain y col. 2013 KNLN (001) Muestras texturizadas d 33 = 192 k p = 60
Takao y col. 2006 KNNT (001) Muestras texturizadas d 33 = 390 k p = 54
Li y col. 2012 KNN 1 CuO (001) Muestras texturizadas d 33 = 123 k p = 54
Cho y col. 2012 KNN-CuO (001) Muestras texturizadas d 33 = 133 k p = 46
Hao y col. 2012 NKLNT (001) Muestras texturizadas d 33 = 310 k p = 43
Gupta y col. 2014 KNLN (001) Muestras texturizadas d 33 = 254
Hao y col. 2012 KNN (001) Muestras texturizadas d 33 = 180 k p = 44
Bai y col. 2016 BCZT (001) Muestras texturizadas d 33 = 470 k p = 47
Ye et al. 2013 BCZT (001) Muestras texturizadas d 33 = 462 k p = 49
Schultheiß y col. 2017 BCZT-TH (001) Muestras texturizadas d 33 = 580
OMORI y col. 1990 BCT (001) Muestras texturizadas d 33 = 170
Chan y col. 2008 Pz34 (PbTiO 3 dopado ) d 15 = 43,3 ε 33 = 237 k 31 = 4,6 700
d 31 = -5,1 ε 33 = 208 k 33 = 39,6
d 33 = 46 k 15 = 22,8
k p = 7,4
Lee y col. 2009 BNKLBT d 33 = 163 ε r = 766 k 31 = 0,188 142
ε 33 = 444,3 k t = 0,524
k p = 0,328
Sasaki y col. 1999 KNLNTS ε r = 1156 k 31 = 0,26 80
ε 33 = 746 k t = 0,32
k p = 0,43
Takenaka y col. 1991 (Bi 0,5 Na 0,5 ) BNKT basado en TiO 3 (BNT) d 31 = 46 ε r = 650 k p = 0,27
d 33 = 150 k 31 = 0,165
Tanaka y col. 1960 (Bi 0,5 Na 0,5 ) BNBT basado en TiO 3 (BNT) d 31 = 40 ε r = 580 k 31 = 0,19
d 33 = 12,5 k 33 = 0,55
Hutson 1960 CdS d 15 = -14,35
d 31 = -3,67
d 33 = 10,65
Schofield y col. 1957 CdS d 31 = -1,53
d 33 = 2,56
Egerton y col. 1959 BaCaOTi d 31 = -50 k 15 = 0,19 400
d 33 = 150 k 31 = 0,49
k 33 = 0,325
Ikeda y col. 1961 Nb 2 O 6 Pb d 31 = -11 k r = 0,07 11
d 33 = 80 k 31 = 0,045
k 33 = 0,042
Ikeda y col. 1962 C 6 H 17 N 3 O 10 S d 23 = 84 k 21 = 0,18
d 21 = 22,7 k 22 = 0,18
día 25 = 22 k 23 = 0,44
Brown y col. 1962 BaTiO 3 (95%) BaZrO 3 (5%) k 15 = 0,15 200
d 31 = -60 k 31 = 0,40
d 33 = 150 k 33 = 0,28
Huston 1960 BaNb 2 O 6 (60%) Nb 2 O 6 Pb (40%) d 31 = -25 k r = 0,16
Baxter y col. 1960 BaNb 2 O 6 (50%) Nb 2 O 6 Pb (50%) d 31 = -36 k r = 0,16
Pullin 1962 BaTiO 3 (97%) CaTiO 3 (3%) d 31 = -53 ε 33 = 1390 k 15 = 0,39
d 33 = 135 k 31 = 0,17
k 33 = 0,43
Berlincourt y col. 1960 BaTiO 3 (95%) CaTiO 3 (5%) d 15 = -257 ε 33 = 1355 k 15 = 0,495 500
d 31 = -58 k 31 = 0,19
d 33 = 150 k 33 = 0,49
k r = 0,3
Berlincourt y col. 1960 BaTiO 3 (96%) PbTiO 3 (4%) d 31 = -38 ε 33 = 990 k 15 = 0,34
d 33 = 105 k 31 = 0,14
k 33 = 0,39
Jaffe y col. 1955 PbHfO 3 (50%) PbTiO 3 (50%) d 31 = -54 k r = 0,38
Kell 1962 Nb 2 O 6 Pb (80%) BaNb 2 O 6 (20%) d 31 = 25 k r = 0,20 15
Brown y col. 1962 Nb 2 O 6 Pb (70%) BaNb 2 O 6 (30%) d 31 = -40 ε 33 = 900 k 31 = 0,13 350
d 33 = 100 k 33 = 0,3
k r = 0,24
Berlincourt y col. 1960 PbTiO 3 (52%) PbZrO3 (48%) d 15 = 166 k 15 = 0,40 1170
d 31 = -43 k 31 = 0,17
d 33 = 110 k 33 = 0,43
k r = 0,28
Berlincourt y col. 1960 PbTiO 3 (50%) plomo Zirconato (50%) d 15 = 166 k 15 = 0,504 950
d 31 = -43 k 31 = 0,23
d 33 = 110 k 33 = 0,546
k r = 0.397
Egerton y col. 1959 KNbO 3 (50%) NaNbO 3 (50%) d 31 = -32 140
d 33 = 80 k 31 = 0,21
k 33 = 0,51
Brown y col. 1962 NaNbO 3 (80%) Cd 2 Nb 2 O 7 (20%) d 31 = -80 ε 33 = 2000 k 31 = 0,17
d 33 = 200 k 33 = 0,42
k r = 0,30
Schofield y col. 1957 BaTiO 3 (95%) CaTiO 3 (5%) CoCO3 (0,25%) d 31 = -60 ε 33 = 1605 k r = 0,33
Pullin 1962 BaTiO 3 (80%) PbTiO 3 (12%) CaTiO 3 (8%) d 31 = -31 k 31 = 0,15 1200
d 33 = 79 k 33 = 0,41
k r = 0,24
Defaÿ 2011 AlN (Pt-Mo) d 31 = -2,5
Shibata y col. 2011 KNN (Pt-Pt) <001> d 31 = -96,3 ε r = 1100
d 33 = 138,2
Sessler 1981 PVDF d 31 = 17,9 k 31 = 10,3
d 32 = 0,9 k 33 = 12,6
d 33 = -27,1
Ren y col. 2017 PVDF d 31 = 23 ε r = 106
d 32 = 2
d 33 = -21
Tsubouchi y col. 1981 Epi AlN / Al 2 O 3 <001> d 33 = 5,53 ε 33 = 9,5 k t = 6,5 2490
Nanomateriales
Referencia Material Estructura Coeficientes piezoeléctricos, d (pC / N) Método de caracterización Tamaño (nm)
Ke y col. 2008 NaNbO 3 nanoalambre d 33 = 0,85-4,26 pm / V PFM d = 100
Wang y col. 2008 KNbO 3 nanoalambre d 33 = 0,9 pm / V PFM d = 100
Zhang y col. 2004 PZT nanoalambre PFM d = 45
Zhao y col. 2004 ZnO nanocinturón d 33 = 14.3-26.7 pm / V PFM w = 360 t = 65
Luo y col. 2003 PZT nanoconcha d 33 = 90 pm / V PFM d = 700 t = 90
Yun y col. 2002 BaTiO3 nanoalambre d 33 = 0,5 pm / V PFM d = 120
Lin y col. 2008 CdS nanoalambre Doblado con punta AFM d = 150
Wang y col. 2007 PZT nanofibra constante de voltaje piezoeléctrico ~ 0.079 Vm / N Doblar con una sonda de tungsteno d = 10
Wang y col. 2007 BaTiO 3 - día 33 = 45 pC / N Ensayo de tracción directa d ~ 280
Jeong y col. 2014 Niobato alcalino (KNLN) película día 33 = 310 pC / N -
Park y col. 2010 BaTiO 3 Película delgada día 33 = 190 pC / N
Stoppel y col. 2011 AlN Película delgada día 33 = 5 pC / N AFM
Lee y col. 2017 WSe2 Nanohoja 2D d 11 = 3,26 pm / V
Zhu y col. 2014 MoS2 Capa independiente e 11 = 2900pc / m AFM
Zhong y col. 2017 PET / EVA / PET película día 33 = 6300 pC / N

Referencias