Пироэлектричество - Pyroelectricity

Не путать с термоэлектричество, другой тепловой эффект с другим механизмом.
Пироэлектрический датчик

Пироэлектричество (от двух греческих слов пир что означает огонь, и электричество ) является свойством некоторых кристаллов, которые естественно электрически поляризованы и в результате содержат большие электрические поля.[1] Пироэлектричество можно описать как способность определенных материалов генерировать временное Напряжение когда они нагреваются или охлаждаются.[2][3] Изменение температуры немного изменяет положение атомов в пределах Кристальная структура, так что поляризация материальных изменений. Это изменение поляризации приводит к возникновению напряжения на кристалле. Если температура остается постоянной на своем новом значении, пироэлектрическое напряжение постепенно исчезает из-за ток утечки. Утечка может быть связана с движением электронов через кристалл, движением ионов по воздуху или утечкой тока через вольтметр прикреплены поперек кристалла.[3][4]

Объяснение

Пироэлектричество можно представить как одну сторону треугольника,[5] где каждый угол представляет энергетические состояния кристалла: кинетический, электрические и тепловой энергии. Сторона между электрическим и тепловым углами представляет пироэлектрический эффект и не производит кинетическая энергия. Сторона между кинетическим и электрическим углами представляет собой пьезоэлектрический эффект и не производит высокая температура.

Пироэлектрический заряд в минералы развивается на противоположных гранях асимметричных кристаллов. Направление распространения заряда обычно постоянно в пироэлектрическом материале, но в некоторых материалах это направление может быть изменено близлежащим электрическим полем. Утверждается, что эти материалы демонстрируют сегнетоэлектричество. Все известные пироэлектрические материалы также пьезоэлектрический. Несмотря на то, что они пироэлектрические, новые материалы, такие как нитрид бора и алюминия (BAlN) и нитрид бора-галлия (BGaN), имеют нулевой пьезоэлектрический отклик на деформацию вдоль оси c при определенных составах,[6] эти два свойства тесно связаны. Однако обратите внимание, что некоторые пьезоэлектрические материалы обладают симметрией кристалла, которая не допускает пироэлектричество.

Пироэлектрические материалы в основном твердые и кристаллы, однако мягкое пироэлектричество может быть достигнуто с помощью электретов.[7]

Пироэлектричество измеряется как изменение суммарной поляризации (вектора), пропорциональное изменению температуры. Общий пироэлектрический коэффициент, измеренный при постоянном напряжении, представляет собой сумму пироэлектрических коэффициентов при постоянной деформации (первичный пироэлектрический эффект) и пьезоэлектрического вклада от теплового расширения (вторичный пироэлектрический эффект). В нормальных условиях даже полярные материалы не демонстрируют суммарный дипольный момент. Как следствие, не существует электрических дипольных эквивалентов стержневых магнитов, потому что собственный дипольный момент нейтрализуется «свободным» электрическим зарядом, который накапливается на поверхности за счет внутренней проводимости или из окружающей атмосферы. Полярные кристаллы раскрывают свою природу только тогда, когда их каким-то образом возмущают, что на мгновение нарушает баланс с компенсационным поверхностным зарядом.

Спонтанная поляризация зависит от температуры, поэтому хорошим датчиком возмущений является изменение температуры, которое вызывает поток заряда к поверхностям и от них. Это пироэлектрический эффект. Все полярные кристаллы являются пироэлектрическими, поэтому 10 классов полярных кристаллов иногда называют пироэлектрическими классами. Пироэлектрические материалы могут использоваться в качестве детекторов инфракрасного и миллиметрового излучения.

An электрет это электрический эквивалент постоянного магнита.

Математическое описание

Пироэлектрический коэффициент можно описать как изменение вектора спонтанной поляризации с температурой:[8]

где пя (См−2K−1) - вектор пироэлектрического коэффициента.

История

Первое упоминание о пироэлектрическом эффекте встречается в трудах автора Теофраст (ок. 314 г. до н.э.), который отметил, что Lyngourion, турмалин, при нагревании могут притягиваться опилки или кусочки соломы.[9] Свойства турмалина были заново открыты в 1707 г. Иоганн Георг Шмидт, которые отметили, что камень притягивает только горячий пепел, а не холодный.[10] В 1717 г. Луи Лемери заметил, как и Шмидт, что небольшие обрывки непроводящего материала сначала притягивались к турмалину, но затем отталкивались им, когда соприкасались с камнем.[11] В 1747 г. Линней впервые связал это явление с электричеством (он назвал турмалин Lapidem Electricum, "электрический камень"),[12] хотя это не было доказано до 1756 г. Франц Ульрих Теодор Эпинус.[13]

Исследования пироэлектричества стали более сложными в 19 веке. В 1824 г. Сэр Дэвид Брюстер дал эффекту имя, которое он имеет сегодня.[14] И то и другое Уильям Томсон в 1878 г.[15] и Вольдемар Фойгт в 1897 г.[16] помог разработать теорию процессов, лежащих в основе пироэлектричества. Пьер Кюри и его брат, Жак Кюри изучали пироэлектричество в 1880-х годах, что привело к открытию некоторых механизмов пьезоэлектричества.[17]

Кристалл классы

Все кристаллические структуры принадлежат к одному из тридцати двух кристаллические классы исходя из количества оси вращения и плоскости отражения они обладают, оставляя неизменной кристаллическую структуру (точечные группы ). Из тридцати двух классов кристаллов двадцать один нецентросимметричен (не имеет центр симметрии ). Из этих двадцати одного двадцать экспонируются прямые пьезоэлектричество, оставшийся кубический класс 432. Десять из этих двадцати пьезоэлектрических классов полярны, т.е. они обладают спонтанной поляризацией, имеют диполь в своей элементарной ячейке и проявляют пироэлектричество. Если этот диполь можно перевернуть приложением электрического поля, то говорят, что материал сегнетоэлектрик. Любой диэлектрический материал образует диэлектрик. поляризация (электростатика) когда приложено электрическое поле, но вещество, которое имеет такое естественное разделение зарядов даже в отсутствие поля, называется полярным материалом. Полярность материала определяется исключительно его кристаллической структурой. Только 10 из 32 точечных групп полярны. Все полярные кристаллы являются пироэлектрическими, поэтому десять классов полярных кристаллов иногда называют пироэлектрическими классами.

Классы пьезоэлектрических кристаллов: 1, 2, м, 222, мм2, 4, -4, 422, 4 мм, -42 м, 3, 32, 3 м, 6, -6, 622, 6 мм, -62 м, 23, -43 м

Пироэлектрический: 1, 2, м, мм2, 3, 3 м, 4, 4 мм, 6, 6 мм

Связанные эффекты

Два эффекта, которые тесно связаны с пироэлектричеством: сегнетоэлектричество и пьезоэлектричество. Обычно материалы почти электрически нейтральны на макроскопическом уровне. Однако положительные и отрицательные заряды, из которых состоит материал, не обязательно распределяются симметрично. Если сумма заряда на расстояние для всех элементов базовой ячейки не равна нулю, ячейка будет иметь электрический дипольный момент (векторная величина). Дипольный момент на единицу объема определяется как диэлектрическая поляризация. Если этот дипольный момент изменяется под действием приложенных изменений температуры, приложенного электрического поля или приложенного давления, материал является пироэлектрическим, сегнетоэлектрическим или пьезоэлектрическим соответственно.

Сегнетоэлектрический эффект проявляется в материалах, которые обладают электрической поляризацией в отсутствие приложенного извне электрического поля, так что поляризация может быть обращена, если электрическое поле инвертировать. Поскольку все сегнетоэлектрические материалы обладают спонтанной поляризацией, все сегнетоэлектрические материалы также являются пироэлектрическими (но не все пироэлектрические материалы являются сегнетоэлектрическими).

Пьезоэлектрический эффект проявляется кристаллами (такими как кварц или керамика), для которых электрическое напряжение на материале появляется при приложении давления. Подобно пироэлектрическому эффекту, это явление связано с асимметричной структурой кристаллов, которая позволяет ионам легче перемещаться по одной оси, чем по другим. При приложении давления каждая сторона кристалла принимает противоположный заряд, что приводит к падению напряжения на кристалле.

Пироэлектричество не следует путать с термоэлектричество: В типичной демонстрации пироэлектричества весь кристалл изменяется от одной температуры к другой, и в результате возникает временное напряжение на кристалле. В типичной демонстрации термоэлектричества одна часть устройства поддерживается при одной температуре, а другая часть - при другой температуре, и в результате получается постоянный напряжение на устройстве, пока существует разница температур. Оба эффекта преобразуют изменение температуры в электрический потенциал, но пироэлектрический эффект преобразует изменение температуры в время в электрический потенциал, а термоэлектрический эффект преобразует изменение температуры с должность в электрический потенциал.

Пироэлектрические материалы

Хотя были разработаны искусственные пироэлектрические материалы, эффект был впервые обнаружен в таких минералах, как турмалин. Пироэлектрический эффект присутствует также в кость и сухожилие.

Самый важный пример: нитрид галлия, полупроводник.[18] Большие электрические поля в этом материале вредны для светоизлучающих диодов (СИД), но полезны для производства силовых транзисторов.

Был достигнут прогресс в создании искусственных пироэлектрических материалов, обычно в виде тонкой пленки, с использованием нитрид галлия (GaN ), нитрат цезия (CSNО3), поливинилфториды, производные от фенилпиридин, и кобальт фталоцианин. Литий танталат (ЛиТаО3) представляет собой кристалл, демонстрирующий как пьезоэлектрический и пироэлектрические свойства, которые использовались для создания мелкомасштабных термоядерная реакция ("пироэлектрический синтез ").[19] Недавно были обнаружены пироэлектрические и пьезоэлектрические свойства легированных оксид гафния (HfО2), который является стандартным материалом в CMOS изготовление.[20]

Приложения

Датчики тепла

Очень небольшие изменения температуры могут вызвать пироэлектрический потенциал. Пассивные инфракрасные датчики часто конструируются вокруг пироэлектрических материалов, так как тепла человека или животного на расстоянии нескольких футов достаточно для генерации напряжения.[нужна цитата ]

Выработка энергии

Пироэлектрик можно многократно нагревать и охлаждать (аналогично Тепловой двигатель ) для выработки полезной электроэнергии. Одна группа подсчитала, что пироэлектрик в Цикл Ericsson может достигать 50% Эффективность Карно,[21][22] в то время как другое исследование нашло материал, который теоретически может достигать 84-92% эффективности Карно.[23] (эти значения эффективности относятся к самому пироэлектрику, без учета потерь от нагрева и охлаждения субстрат, другие потери при теплопередаче и все другие потери в других частях системы). Возможные преимущества пироэлектрических генераторов для выработки электроэнергии (по сравнению с обычными Тепловой двигатель плюс электрический генератор ) включают: потенциально ниже рабочие температуры, менее громоздкое оборудование и меньше движущихся частей.[24] Хотя на такое устройство было подано несколько патентов,[25] такие генераторы, похоже, и близко не стоят к коммерциализации.

Термоядерная реакция

Основная статья: Пироэлектрический синтез

Пироэлектрические материалы использовались для создания больших электрических полей, необходимых для управления дейтерий ионы в термоядерная реакция обработать. Это известно как пироэлектрический синтез.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Эшкрофт, Н. В. и Мермин, Н. Д. Физика твердого тела. (Cengage Learning, 1976).
  2. ^ Чарльз Киттель-8-е издание. 2016 г. Введение в физику твердого тела.
  3. ^ а б Вебстер, Джон Г. (1999). Справочник по измерениям, приборам и датчикам. С. 32–113. ISBN  978-0-8493-8347-2.
  4. ^ В этой статье термин «напряжение» используется в повседневном смысле, т.е. вольтметр меры. Это на самом деле электрохимический потенциал, не электростатический потенциал (Гальванический потенциал ).
  5. ^ Бьюкенен, Релва С. (2004). Керамические материалы для электроники: издание третье, переработанное и дополненное (Третье изд.). Цинциннати, Огайо: Marcel Dekker, Inc., стр. 217. ISBN  978-0-8247-4028-3. Получено 10 ноября 2015.
  6. ^ Лю, Кайкай (2017). «Вюрцит BAlN и BGaN для инженерии поляризации гетерограниц». Письма по прикладной физике. 111 (22): 222106. Дои:10.1063/1.5008451. HDL:10754/626289.
  7. ^ Дарбаниян, Ф .; Шарма, П. (2018). «Создание мягких пироэлектрических и электрокалорийных материалов с использованием электретов». Мягкая материя.
  8. ^ Дамьянович, Драган (1998). «Сегнетоэлектрические, диэлектрические и пьезоэлектрические свойства сегнетоэлектрических тонких пленок и керамики». Rep. Prog. Phys. 61 (9): 1267–1324. Дои:10.1088/0034-4885/61/9/002.
  9. ^ Эрл Р. Кейли и Джон Ф.С. Ричардс, Теофраст: На камнях (Колумбус, Огайо: Университет штата Огайо, 1956), стр. 51, абзац 28 исходного текста: «Это [смарагдос] замечателен по своим силам, как и Lyngourion [т.е. камень рыси-моча]…. Он обладает силой притяжения, как и янтарь, и некоторые говорят, что он привлекает не только соломку и кусочки дерева, но также медь и железо, если кусочки тонкие, как объяснял Диокл.
  10. ^ Иоганн Георг Шмидт, Curiöse Speculationes bey Schalflosen Nächten [Любопытные размышления во время бессонных ночей] (Хемниц и Лейпциг (Германия): Конрад Штёссен, 1707), страницы 269-270. Английский перевод соответствующего отрывка можно найти в: Sidney B. Lang, Справочник по пироэлектричеству, т. 2 (Нью-Йорк, Нью-Йорк: Гордон и Бреч, 1974), стр.96.
  11. ^ «Разнообразные наблюдения за общим телом», Histoire de l'Académie des Sciences (1717); см. страницы 7-8.
  12. ^ Карл фон Линне ("Линней"), Флора Zeylanica: Sistens Plantas Indicas Zeylonae Insulae [Флора Цейлона: состоит из индийских растений острова Цейлон] (Стокгольм ("Holmiae"), Швеция: Laurentii Salvii, 1747), стр. 8. Перевод соответствующего отрывка можно найти в Lang (1974), стр. 103.
  13. ^ Aepinus (1756 г.) «Воспоминания, касающиеся новых экспериментов с электричеством» [Воспоминания о некоторых замечательных новых электрических экспериментах], Histoire de l'Académie Royale des Sciences et des Belles Lettres (Берлин), т. 12, страницы 105-121.
  14. ^ Брюстер, Дэвид (1824). «Наблюдения пироэлектричества полезных ископаемых». Эдинбургский научный журнал. 1: 208–215.
  15. ^ Уильям Томсон (1878 г.) «О термоупругих, термомагнитных и пироэлектрических свойствах вещества». Философский журнал, серия 5, т. 5, страницы 4 - 26.
  16. ^ В. Фойгт (1897) "Versuch zur Bestimmung des wahren specificischen electrischen Momentes eines Turmalins" (Эксперимент по определению истинного удельного электрического момента турмалина), Annalen der Physik, т. 60, страницы 368 - 375.
  17. ^ Жак Кюри и Пьер Кюри, «Развитие электричества на поверхности тела на наклонных поверхностях», Bulletin de la Société Minéralogique de France, vol. 3 (4), 90-93, 1880.
  18. ^ Нитрид галлия (GaN): физика, устройства и технологии ». 2015. CRC Press. 16 октября
  19. ^ Naranjo, B .; Gimzewski, J.K .; Путтерман, С. (2005). «Наблюдение за термоядерным синтезом с помощью пироэлектрического кристалла». Природа. 434 (7037): 1115–1117. Bibcode:2005Натура.434.1115Н. Дои:10.1038 / природа03575. ISSN  0028-0836. PMID  15858570. S2CID  4407334.
  20. ^ Mart, C .; Kämpfe, T .; Hoffmann, R .; Eßlinger, S .; Кирбах, С .; Kühnel, K .; Черногорский, М .; Eng, L.M .; Вайнрайх, В. (2020). «Пьезоэлектрический отклик тонких пленок поликристаллического оксида гафния, легированного кремнием, определяемый быстрыми температурными циклами». Современные электронные материалы. 6 (3): 1901015. Дои:10.1002 / aelm.201901015.
  21. ^ Себальд, Гаэль; Пруво, Себастьян; Гайомар, Даниэль (2008). «Сбор энергии на основе пироэлектрических циклов Эрикссона в релаксорной сегнетоэлектрической керамике» (PDF). Умные материалы и конструкции. 17 (1): 015012. Bibcode:2008SMaS ... 17a5012S. Дои:10.1088/0964-1726/17/01/015012.
  22. ^ Себальд, Гаэль; Гайомар, Даниэль; Агбосу, ​​Аминь (2009). «О сборе термоэлектрической и пироэлектрической энергии». Умные материалы и конструкции. 18 (12): 125006. Bibcode:2009SMaS ... 18l5006S. Дои:10.1088/0964-1726/18/12/125006.
  23. ^ Olsen, Randall B .; Эванс, Дайан (1983). «Пироэлектрическое преобразование энергии: потеря гистерезиса и температурная чувствительность сегнетоэлектрического материала». Журнал прикладной физики. 54 (10): 5941–5944. Bibcode:1983JAP .... 54.5941O. Дои:10.1063/1.331769.
  24. ^ Кучачвили, Л; Икура, М. (2007). «Пироэлектрическое преобразование - Влияние предварительного кондиционирования P (VDF – TrFE) на преобразование энергии». Журнал электростатики. 65 (3): 182–188. Дои:10.1016 / j.elstat.2006.07.014.
  25. ^ Например: Патент США 4647836, Патент США 6528898, Патент США 5644184
  • Гаучи, Густав, 2002 г., Пьезоэлектрическая сенсорика, Спрингер, ISBN  3-540-42259-5 [1]

внешние ссылки