3.1: Піроелектрика

Піроелектрика в кристалічних матеріалах

Піроелектричні пристрої - це пристрої перетворення енергії, які перетворюють різницю температур в електрику або з неї через зміни поляризації матеріалу. Піроелектричний ефект був вперше вивчений Хаяші в 1912 році і Рунтгеном в 1914 році [3] [40]. Цей ефект виникає в ізоляторах, тому він відрізняється від термоелектричного впливу. Термоелектричний ефект, про який слід обговорити в розділі 8, - це процес, який перетворює енергію різниці температур та електрику і відбувається тому, що тепло та заряди протікають з різною швидкістю через переходи.

Матеріал	Хімічний склад	П'єзоелектрична деформація конст. \(d\)в\(\frac{m}{V}\) з [38] [39]	Піроелектричний каву. \(|\overrightarrow{b}|\)в\(\frac{C} {m^2K}\) з [38] [39]	Електрооптичний шнур Pockels. \(\gamma\)в\(\frac{m}{V}\) від [27]
Сфалерит	\(\text{ZnS}\)	\ (d\)\(\frac{m}{V}\) з [38] [39]» клас = "lt-eng-18950">\(1.60 \cdot 10^{-12}\)	\ (|\ над правою стрілкою {b} |\)\(\frac{C} {m^2K}\) з [38] [39]» клас = «lt-eng-18950">\(4.34 \cdot 10^{-7}\)	\ (\ гамма\)\(\frac{m}{V}\) від [27]» клас = "lt-eng-18950">\(1.6 \cdot 10^{-12}\)
Кварц	\(\text{SiO}_2\)	\ (d\)\(\frac{m}{V}\) з [38] [39]» клас = "lt-eng-18950">\(2.3 \cdot 10^{-12}\)	\ (|\ над правою стрілкою {b} |\)\(\frac{C} {m^2K}\) з [38] [39]» клас = «lt-eng-18950">\(1.67 \cdot 10^{-6}\)	\ (\ гамма\)\(\frac{m}{V}\) від [27]» клас = "lt-eng-18950">\(0.23 \cdot 10^{-12}\)
Титанат барію	\(\text{BaTiO}_3\)	\ (d\)\(\frac{m}{V}\) з [38] [39]» клас = "lt-eng-18950">\(2.6 \cdot 10^{-10}\)	\ (|\ над правою стрілкою {b} |\)\(\frac{C} {m^2K}\) з [38] [39]» клас = «lt-eng-18950">\(12 \cdot 10^{-6}\)	\ (\ гамма\)\(\frac{m}{V}\) від [27]» клас = "lt-eng-18950">\(19 \cdot 10^{-12}\)

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Приклад п'єзоелектричних деформаційних констант, піроелектричних коефіцієнтів та електрооптичних коефіцієнтів Покельса. Значення для сфалериту припускають\(\bar{4}3m\) кристалічну структуру. Коефіцієнти Покельса припускають довжину хвилі\(\lambda = 633 nm\). Задано середні значення, зазначені у посиланнях. Додаткові припущення див. у цитуваних посиланнях. Електрооптичний коефіцієнт Покельса\(\gamma\) визначено в п. 3.2.1.

Якщо ізолюючий кристал поміщений у зовнішнє електричне поле, матеріал буде поляризуватися. Електрони будуть трохи витісняти, утворюючи електричні диполі, і енергія може зберігатися в цьому матеріалі поляризації. У деяких піроелектричних матеріалах нагрівання або охолодження також призведе до поляризації матеріалу. Ми можемо змоделювати поляризацію матеріалу шляхом додавання члена до рівняння 2.2.1 для врахування температурної залежності [3, с. 327].

\[\overrightarrow{P} =\overrightarrow{D} -\epsilon_0 \overrightarrow{E} + \overrightarrow{b}\Delta T. \label{3.1.1} \]

Як і в рівнянні 2.3.1,\(\overrightarrow{P}\) являє собою поляризацію матеріалу в\(\frac{C}{m^2}\),\(\overrightarrow{D}\) являє собою щільність потоку зміщення в С м2,\(\overrightarrow{E}\) представляє напруженість електричного поля в\(\frac{V}{m}\), і\(\epsilon_0\) є діелектричною проникністю вільного простору в\(\frac{F}{m}\). Піроелектричний коефіцієнт\(\overrightarrow{b}\) має одиниці\(\frac{C}{m^2K}\), і\(\Delta T\) являє собою зміну температури. Коефіцієнт\(\overrightarrow{P}\) є вектором, оскільки поляризація матеріалу може бути різною вздовж різних напрямків кристалів. У таблиці\(\PageIndex{1}\) наведені приклади значень для піроелектричного коефіцієнта, а також для інших коефіцієнтів. (Зауважте, що\(\overrightarrow{b}\) це визначення схоже, але не ідентичне визначенню в [3].) У деяких матеріалах поляризація матеріалу лінійно залежить від температури, як описано Equation\ ref {3.1.1}. В інших матеріалах потрібно більше термінів, щоб описати залежність поляризації матеріалу від температури.

\[\overrightarrow{P} =\overrightarrow{D} - \epsilon_0 \overrightarrow{E} + \overrightarrow{b}\Delta T + \overrightarrow{b_{quad}} (\Delta T)^2 ... \nonumber \]

Багато матеріалів демонструють піроелектрику лише нижче температури, відомої як піроелектрична температура Кюрі.

В останньому розділі ми побачили, що ми могли визначити, чи є кристалічний матеріал п'єзоелектричним з його кристалічної структури. Для цього ми визначили симетрії кристалічної структури. Кристалічні структури згруповані в 32 класи, які називаються групами кристалічних точок на основі симетрій, які вони містять. Кристалічні структури в 21 кристалічних точкових групах, які не мають центру симетрії, можуть бути п'єзоелектричними. Ми можемо використовувати подібну методику, щоб визначити, чи є кристалічний матеріал або не є піроелектричним. Всі піроелектричні кристали п'єзоелектричні, але не всі п'єзоелектричні кристали є піроелектричними. Щоб визначити, чи може кристалічний матеріал бути піроелектричним, ідентифікують його кристалічну структуру і визначають відповідну групу кристалічних точок. Кристали в 10 кристалічних точкових групах, перерахованих в табл. 2.3.1, є піроелектричними [3, с. 366] [26, с. 557].

Піроелектричність в аморфних і полікристалічних матеріалах та сегнетоелектриці

У п. 2.2.3 ми побачили, що деякі матеріали, звані сегнетоелектричними п'єзоелектричними матеріалами, мали поляризацію матеріалу, яка нелінійно залежала від застосованого механічного напруження. Ці матеріали можуть бути кристалічними, аморфними або полікристалічними. Коли поділ заряду відбувався в одному атомі, заряди з цього електричного диполя спонукають диполі утворюватися в сусідніх атомах, а електричні домени з вирівняною поляризацією матеріалу утворюються в матеріалі. Цей ефект залежить від механічного впливу, застосованого до матеріалу раніше, а залежність від минулої історії називається гістерезисом. Матеріали також можуть бути сегнетоелектричними піроелектричними, і ці матеріали можуть бути кристалічними, аморфними або полікристалічними. У цих матеріалах поляризація матеріалу залежить нелінійно від температури, на відміну від механічного впливу. Як і у п'єзоелектричної версії цього ефекту, поляризація одного атома індукує поляризацію матеріалу в сусідніх атомах. Такі матеріали можуть мати поляризацію матеріалу навіть тоді, коли температурний градієнт не застосовується, і вони можуть проявляти гістерезис.

Матеріали та застосування піроелектричних пристроїв

Піроелектричність вивчалася в ряді матеріалів, включаючи титанат барію BaTiO\(_3\), титанат свинцю\(_3\) PbTiO та гідрофосфат калію KH\(_2\) PO\(_4\) [25] [26]. Він також вивчався в халькогенідних окулярах, які є сульфідами, селенідами та телуридами, такими як GetE [25] [26]. При виборі піроелектричного матеріалу для застосування слід враховувати піроелектричний коефіцієнт. Теплові властивості теж важливі. Матеріал повинен витримувати багаторазове нагрівання та охолодження, і він повинен мати відносно високу температуру плавлення, щоб бути корисним.

Піроелектричний ефект має не так багато застосувань. Деякі оптичні детектори, призначені для виявлення інфрачервоного світла, виготовляються з піроелектричних матеріалів [41] [42]. Однак більшість оптичних детекторів - це фотоелектричні прилади, виготовлені з напівпровідникових переходів, і ця технологія буде розглянута в главі 6. Хоча датчики, що використовують піроелектричний ефект, можуть використовуватися для вимірювання температури, зазвичай використовуються інші типи датчиків температури, такі як термопари. Термопари, які працюють на основі термоелектричного ефекту, про який йдеться у розділі 8, зручніше будувати та експлуатувати. Крім того, у багатьох піроелектричних матеріалах ефект є нелінійним, тоді як лінійні датчики легше працювати та калібрувати.