壓電材料的基礎(chǔ)化學(xué)

與許多電子領(lǐng)域一樣，化學(xué)是壓電材料工作原理的基本驅(qū)動(dòng)力。在壓電材料中，在原子水平上引起的晶體結(jié)構(gòu)變化決定了它們的功能。對(duì)壓電材料施加的應(yīng)力和/或壓力會(huì)導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，從而導(dǎo)致材料中的電流發(fā)生變化。當(dāng)分類為壓電或壓阻的壓電材料受到應(yīng)力和/或應(yīng)變時(shí)，電荷或電阻率（分別）發(fā)生變化。

盡管壓電材料的應(yīng)用范圍比壓敏電阻更廣泛，但這兩種類型的壓電材料在傳感器應(yīng)用中都非常有用，即可以測(cè)量材料在施加負(fù)載下是否發(fā)生機(jī)械變形的應(yīng)力/應(yīng)變傳感器。這些傳感器在基于建筑的應(yīng)用中至關(guān)重要，可以測(cè)量結(jié)構(gòu)的某些部分是否因應(yīng)力過(guò)大而變形。設(shè)計(jì)人員還將壓電材料用作功率換能器、執(zhí)行器、導(dǎo)電粘合劑和密封劑、高壓電源和壓電馬達(dá)。除了傳感器應(yīng)用，壓阻材料的另一個(gè)主要應(yīng)用是壓阻電阻器。

壓電材料

壓電材料利用壓電效應(yīng)原理工作。壓電效應(yīng)是在施加應(yīng)力的情況下產(chǎn)生電荷。壓電的主要特征之一是它是可逆的。因此，當(dāng)應(yīng)力從材料中釋放時(shí)，電荷就會(huì)停止。然而，這可以反過(guò)來(lái)工作。除了導(dǎo)致電荷的應(yīng)力外，如果對(duì)壓電材料施加電荷，則其原子結(jié)構(gòu)會(huì)變形并在材料上引起應(yīng)力。

在原子水平上重新排列固態(tài)晶格內(nèi)的離子會(huì)產(chǎn)生壓電性。因?yàn)榇蠖鄶?shù)材料是固態(tài)無(wú)機(jī)材料，其中原子晶格是規(guī)則且重復(fù)排列的有序陽(yáng)離子和陰離子，正是這種規(guī)則原子模式的變形產(chǎn)生了電荷。請(qǐng)注意，材料的整體電荷是中性的，因此它在晶格中包含相同數(shù)量的陽(yáng)離子和陰離子——不考慮固態(tài)晶格中可能出現(xiàn)的自然缺陷。

壓電在許多絕緣材料中起作用，尤其是那些具有晶胞（即晶格的基本構(gòu)建塊）且具有特定對(duì)稱性的絕緣材料。這些材料的示例包括：

天然和合成晶體

合成陶瓷

III-V 族和 II-VI 族半導(dǎo)體

各種其他金屬氧化物絡(luò)合物

聚合物是一類偏離高度有序的固態(tài)晶格結(jié)構(gòu)的材料。一些聚合物本質(zhì)上更像結(jié)晶體，而不是無(wú)定形體。這意味著一些聚合物可以產(chǎn)生壓電電荷；然而，電荷強(qiáng)度明顯低于無(wú)機(jī)物。

壓電材料的特定對(duì)稱性是其機(jī)制如何工作的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。晶體可以展示 32 種不同的晶體幾何形狀（也稱為點(diǎn)群）。壓電材料本質(zhì)上是非中心對(duì)稱的，這意味著它們?cè)诰Ц駜?nèi)沒(méi)有反轉(zhuǎn)中心。因此，壓電材料只有一定數(shù)量的適用晶格類型。鑒于對(duì)稱性要求，有 20 個(gè)可行的非中心對(duì)稱晶格，這意味著只有某些材料才能產(chǎn)生壓電電流。

材料的晶格對(duì)稱性很重要，因?yàn)樵诰Ц駜?nèi)誘導(dǎo)宏觀極化會(huì)產(chǎn)生電荷，而這只能在這些特定的晶格條件下發(fā)生。然而，這通常不足以在其自身產(chǎn)生大的壓電效應(yīng)，并且需要材料也具有能夠在晶格應(yīng)變下移動(dòng)的具有大有效電荷的離子。產(chǎn)生電荷的機(jī)制結(jié)合了這些不同的晶體學(xué)方面。當(dāng)向材料施加應(yīng)力時(shí)，帶相反電荷的離子從其正常方向移動(dòng)，從而使它們?cè)诰Ц駜?nèi)彼此靠近。這會(huì)改變晶格內(nèi)的電荷平衡，并引發(fā)外部電場(chǎng)。當(dāng)這些效應(yīng)發(fā)生在晶格內(nèi)時(shí)，電荷不平衡的效應(yīng)會(huì)遍及整個(gè)材料。結(jié)果，晶體的外表面上出現(xiàn)了正電荷或負(fù)電荷。然后，這在相反電荷的晶體表面上產(chǎn)生一個(gè)電壓，這就是壓電。當(dāng)壓力刺激被移除時(shí)，晶格恢復(fù)到其自然狀態(tài)，電壓降低。

壓阻材料

壓阻材料與壓電材料相似但又不同。壓阻材料利用壓阻效應(yīng)原理工作。與壓電效應(yīng)一樣，壓阻效應(yīng)是在施加應(yīng)力的情況下發(fā)生變化；然而，壓阻效應(yīng)中的晶格變形會(huì)導(dǎo)致材料電阻率的變化。壓阻效應(yīng)只發(fā)生在以某種方式導(dǎo)電的材料中，無(wú)論是高導(dǎo)電材料，如金屬還是半導(dǎo)體材料。

導(dǎo)電材料是實(shí)現(xiàn)壓阻材料的基礎(chǔ)。壓阻性部分依賴于改變材料的帶隙以改變其電阻率/絕緣特性。絕緣材料在其電子能帶結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)帶和價(jià)帶之間具有較寬的帶隙，因此需要大量的能量輸入來(lái)調(diào)動(dòng)電子。相比之下，金屬中的價(jià)帶和導(dǎo)帶重疊，這就是金屬導(dǎo)電的原因——因?yàn)樗闺娮幽軌蛞宰钚〉哪芰空系K流向?qū)Аｋm然半導(dǎo)體的帶隙不重疊，但價(jià)帶和導(dǎo)帶的能級(jí)非常接近。它只需要一點(diǎn)點(diǎn)能量輸入——通常是熱量——來(lái)促進(jìn)電子從價(jià)帶移動(dòng)到導(dǎo)帶。在某些情況下，電阻率會(huì)降低，但帶隙的降低幅度并不大。雖然在這些情況下帶隙的變化足以使許多半導(dǎo)體和金屬更具導(dǎo)電性，但對(duì)絕緣材料的影響可以忽略不計(jì)。

因?yàn)閴弘婋娮杪逝c改變電子帶隙的影響有關(guān)，所以需要帶隙為零或非常小的材料。當(dāng)壓阻材料中的離子受到應(yīng)變時(shí)，離子之間的原子間距離發(fā)生變化，從而改變材料的電阻率。壓阻率的變化可以雙向進(jìn)行，使材料具有更大或更小的電阻。壓阻率的變化是否使材料具有更大或更小的電阻取決于原子在施加的機(jī)械力下發(fā)生的情況。

電阻率的具體變化取決于施加到材料上的應(yīng)力類型。如果材料被拉緊/拉長(zhǎng)，大多數(shù)原子將彼此散開(kāi)得更遠(yuǎn)。因?yàn)閹妒怯删Ц裰须x子之間的間距控制的，所以這個(gè)額外的距離加寬了帶隙并降低了電阻率。另一方面，如果材料受到壓縮力，則晶格中的離子將靠得更近。這降低了電阻率，因?yàn)殡娮釉陔x子之間通過(guò)所需的能量減少了。因?yàn)檫@種變化與晶格中離子之間的距離有關(guān)，所以晶格的幾何形狀也可以影響電阻率在施加的機(jī)械力下如何變化。

結(jié)論

當(dāng)施加機(jī)械應(yīng)力時(shí)，壓電和壓阻材料的電子特性會(huì)發(fā)生變化。盡管兩種材料的刺激相同，但其內(nèi)部機(jī)制和性質(zhì)變化卻不同。對(duì)于壓電材料，晶格上的應(yīng)力導(dǎo)致電荷通過(guò)通常是絕緣材料的材料，從而導(dǎo)致材料內(nèi)部的電荷不平衡；而壓阻材料的電阻率是通過(guò)使晶格變形和改變導(dǎo)電/半導(dǎo)體材料的帶隙來(lái)改變的。

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