導入
圧電性(ギリシャ語のpiezeinから press、press に由来) は、特定の物体が機械的拘束の作用下で電気的に分極し、逆に電場が印加されると変形する特性です。この 2 つの効果は切り離すことができません。 1 つ目は直接圧電効果と呼ばれます。 2 番目の逆圧電効果。
この特性は、産業や日常生活において非常に多くの用途に使用されています。最もよく知られた用途の 1 つはガスライターです。ガスライターでは、加えられる圧力によって電圧が発生し、それが火花の形で突然放電されます。これは直接効果の応用です。より一般的には、直接効果を使用してセンサー(圧力センサーなど) を作成でき、逆効果を使用してアクチュエーター (自動車の圧電制御インジェクター、ナノマニピュレーターなど) を作成できます。
圧電材料は非常に多数あります。最もよく知られているのは間違いなくクォーツで、現在でも時計でクロック パルスを生成するために使用されています。しかし、今日産業界で最も広く使用されているのは合成セラミックであるPZTです。
最後に、逆圧電効果を、二次効果でありすべての材料に存在する電歪と混同しないことを強調しておきます。
歴史的側面
前駆作品
18世紀半ば、カール フォン リンネとフランツ アピヌスは、温度変化によって結晶の電気分極が変化する焦電効果を研究しました。この効果を示す代表的な結晶はトルマリンです。トルマリンの結晶を加熱すると、両面に電気が発生します。電気の性質は、当時の条件に応じて一方と他方で異なり、ガラス状と樹脂状になります（今日では、プラスとマイナスの電荷について話します）。
1817 年、さまざまな鉱物の焦電気を詳細に研究した修道院長ルネ ジュスト アウイは、当時アイスランドの石材で「圧力電気」と呼ばれていたものの発見について説明しました。指の間で結晶を圧縮することにより、石材に電気を発生させることができます。クリスタルの面。アントワーヌ・ベクレルはこの現象の研究を続け、この特性を示す他のいくつかの鉱物を特定し、クーロン秤を使用して、こうして生成される電気が加えられる圧力にほぼ比例する特定の範囲にあることを示しました。
アウイ氏は焦電気とは異なり、結晶の両面で発生するのは同じ種類の電気であると観察しています。これは、アウイが発見した現象が圧電ではないと言うのに十分です。アイスランドのスパーも圧電ではありません。キュリー夫妻は石英に関する研究を発表したとき、圧力電気が表面効果に起因すると考え、アウイの研究から距離を置いた。
アウイの圧力電気は、約 50 年間、鉱物の分類を可能にする特性の 1 つでした。しかし、この効果は不確実で再現が難しいため、圧電性の発見とともに忘れ去られてしまいました。 20世紀初頭には、鉱物学の教科書にはアウイ圧力電気についての言及がなくなりました。
圧電効果の発見
直接圧電効果の最初の実証は、1880 年にピエール・キュリーとジャック・キュリーによって行われました。当時、二人の兄弟はそれぞれ 21 歳と 25 歳で、二人ともパリの理学部の助教授でした。焦電気と結晶構造に関する知識を組み合わせて、彼らは石英、トルマリン、トパーズ、砂糖、ロッシェル塩の結晶に圧電が存在することを予測し、検証しました。逆効果の存在は翌年ガブリエル・リップマンによって熱力学計算に基づいて予測され、すぐにキュリー夫妻によって検証された。ヘルマン ハンケルが、 「押す、押す」を意味するギリシャ語のピエゼインに由来する圧電という用語の使用を提案したのも 1881 年でした。
圧電は約 30 年間、実験室での好奇心の対象であり続けました。それは主に、この特性を示す結晶構造に関する理論的研究を生み出しました。この研究は、1910 年に Woldemar Voigt によるLehrbuch der Kristallphysikの出版につながり、20 の圧電結晶クラスを示し、テンソル解析の形式で圧電定数を厳密に定義しました。
実用的な観点から見ると、圧電は少数の実験器具を作るためにのみ使用されていました。
最初のアプリケーション
圧電の最初の応用は、第一次世界大戦中にポール・ランジュバンとその協力者によって開発されたソナーでした。このソナーは、2枚の鋼板の間に貼り付けられた石英ブレードと水中聴音器で構成されており、音波の発信からそのエコーの受信までの時間を測定することで、物体までの距離を計算することができました。そのすぐ後の 1920 年代初頭に、最初の水晶発振器が Walter Cady によって開発され、周波数制御への道が開かれました。
これらのプロジェクトの成功は、圧電への大きな関心を呼び起こし、研究を復活させ、その後何年にもわたって、日常生活、産業、研究における幅広い用途のための新しいデバイスの開発につながりました。この例には、蓄音機の改良や、硬度や粘度の測定に広く使用される反射率計と音響トランスデューサーの開発が含まれます。
この期間に使用された主な材料は、石英、セニネット塩、リン酸二水素カリウムKH 2 PO 4でした。しかし、これらの材料は使用可能ではありますが、可能な応用と圧電理論の発展の両方を制限する欠点があります。
強誘電性酸化物の発見
第二次世界大戦中、より効率的な誘電体材料の探索により、日本、米国、ロシアのさまざまな研究グループが、ペロブスカイト構造の酸化物、つまりバリウムのチタン酸塩（BaTiO 3 ）、次に少し後に、チタノジルコン酸鉛（PbZr x Ti 1-x O 3 、PZTと略記）が登場しました。これらの材料の開発は、圧電デバイスの開発における決定的なステップを表します。実際、それらの特性は全体的にはるかに優れています。これらは、天然の結晶よりも 100 倍程度高い圧電係数を持っています。しかし、何よりも、これらの合成セラミックでは、さまざまな合成パラメーターを使用して、正確な用途に合わせて材料の特性を調整することが可能です。特に、各種金属イオンをドーピングすることにより、誘電率、硬度、被削性などを大幅に変えることが可能です。
理論的な観点から見ると、これらの材料は、顕微鏡モデルの開発と検証を可能にする最初の単純な強誘電体も構成します。
1980 年代初頭には、これまで知られている中で最も高い圧電係数を示す PZN-PT および PMN-PT 結晶の合成により新たな飛躍が見られました。
研究テーマ
現在、圧電材料の研究は、これらの優れた特性の正確な理解、その最適化、さらには鉛フリー材料やより広い温度範囲で使用可能な材料の開発に特に焦点を当てています。