Piezoelektrische Materialien

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1 Kapitel Piezoelektrische Materialien In diesem Kapitel soll kurz auf die Entdeckung der Piezoelektrizität eingegangen und die Entstehung des piezoelektrischen und des reziproken piezoelektrischen Effekts qualitativ beschrieben werden. Die Entwicklung der technischen Anwendung piezoelektrischer Materialien zeigt auf, wie vielfältig deren Einsatzbereich ist. Ein besonderes Augenmerk wird dabei auf die technische Bedeutung des piezoelektrischen BleiZirkonatTitanatSystems PZT gelegt. Um deren Verhalten im Klein und Großsignalbetrieb besser verstehen zu können, ist es notwendig auf die Domänen und Umpolungsprozesse näher einzugehen. Das elektromechanische Verhalten der piezoelektrischen Keramik PZT ermöglicht den Aufbau piezoelektrischer Biegewandler, die heute in vielen Einsatzbereichen piezoelektrischer Aktoren und Sensoren nicht mehr wegzudenken sind..1 Entdeckung der Piezoelektrizität Im Jahre 1880 wurde die Piezoelektrizität von den Brüdern Pierre und Jacques Curie entdeckt [68]. Dies geschah jedoch nicht ganz zufällig. In Indien und Ceylon war seit urdenklichen Zeiten das mysteriöse Verhalten des Turmalins bekannt. Wurden Turmaline in heiße Asche gelegt, zogen sie an einer Seite Aschepartikel an, an der gegenüberliegenden Seite wurden sie abgestoßen. Nach einiger Zeit kehrte sich dieser Effekt des Anziehens und Abstoßens um. Anfang des 18. Jahrhunderts brachten Kaufleute die Turmalinkristalle mit nach Europa gibt Linné den Turmalinkristallen den wissenschaftlichen Namen lapis electricus. In dem folgenden Jahrhundert bemühten sich einige Forscher, einen Zusammenhang zwischen der mechanischen Druckwirkung und der Elektrizität zu finden. Becquerel war sich darüber bewusst, dass man einen solchen Effekt insbesondere bei Kristallen erwarten könnte. Im Jahre 1877 begründete Lord Kelvin den Zusammenhang zwischen Pyroelektrizität und Piezoelektrizität. Es konnte nachgewiesen werden, dass der größte Teil der pyroelektrischen Aufladung des Turmalins auf die Bildung von piezoelektrischen Oberflächenladungen durch die elastischen Deforma

2 14 Kapitel. Piezoelektrische Materialien tionen des Kristalls bei Temperaturänderungen zurückzuführen ist. Den direkten piezoelektrischen Effekt entdeckten die Brüder Pierre und Jacques Curie zuerst an Turmalinkristallen. Sie erkannten, dass eine mechanische Deformation in bestimmten Richtungen an gegenüberliegenden Kristallflächen ungleichnamige elektrische Oberflächenladungen hervorruft, welche proportional zur mechanischen Deformation sind. Diesen Effekt, welcher später auch an Quarzen und weiteren Kristallen ohne Symmetriezentrum gefunden wurde, bezeichnete man als piezoelektrischen Effekt (griech.: piezein = drücken). Der reziproke piezoelektrische Effekt wurde durch Lippmann [69] auf der Basis thermodynamischer Überlegungen vorausgesagt und unmittelbar danach durch die Gebrüder Curie experimentell bestätigt.. Direkter und reziproker piezoelektrischer Effekt Der piezoelektrische Effekt tritt bei den Kristallstrukturen auf, die kein Symmetriezentrum in Bezug auf die positiven und negativen Ionen des Kristallgitters besitzen. Somit ist die Voraussetzung für das Auftreten des piezoelektrischen Effekts die Existenz von polaren Achsen innerhalb der Kristallstruktur. Polar bedeutet, dass es wegen der Verteilung der elektrischen Ladung in der chemischen Bindung ein elektrisches Dipolmoment in Richtung der Achsen gibt. Zur Veranschaulichung des Sachverhalts soll die Strukturzelle von αquarz herangezogen werden (s. Abb..1). X 1 X X 3 : zweizählige Drehachse : dreizählige Drehachse a) b) Abbildung.1: Vereinfachte Strukturzelle von Quarz. a) Anordnung der Si und OIonen mit den Hauptkristallachsen; b) zwei und dreizählige Drehachsen. Sie setzt sich aus negativ geladenen OIonen und positiv geladenen SiIonen zusammen und weist drei zweizählige polare Drehachsen X 1, X und X 3 in der Zeichene

3 .3. Piezoelektrische Keramiken 15 bene und eine dreizählige Drehachse Z senkrecht zur Zeichenebene auf. Der Kristall ist nach außen hin elektrisch neutral. Erfolgt eine Deformation der Quarzstruktur entlang der polaren X 1 Achse, so tritt eine zusätzliche elektrische Polarisation P entlang dieser Achse auf. Sie hat ihre Ursache in der Verschiebung der positiven und negativen Ionen des Kristallgitters gegeneinander (s. Abb..a). Die Folge ist eine elektrische Ladung auf den entsprechenden Oberflächen des Kristalls senkrecht zur X 1 Achse, welche zu einer äußeren elektrischen Polarisationsspannung führen. Diesen Effekt bezeichnet man als direkten longitudinalen piezoelektrischen Effekt. Bei Druck oder Zugspannungen senkrecht zur X 1 Achse entsteht ebenfalls in Richtung der X 1 Achse eine zusätzliche elektrische Polarisation, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen. Man bezeichnet dieses Verhalten als direkten transversalen piezoelektrischen Effekt (s. Abb.b). X 1 X 1 + P P + + a) b) Abbildung.: Direkter piezoelektrischer Effekt innerhalb einer αquarz Strukturzelle. a) longitudinaler piezoelektrischer Effekt; b) transversaler piezoelektrischer Effekt. Beide Effekt sind umkehrbar, unter dem Einfluss von entsprechend orientierten elektrischen Feldern kommt es zur Kontraktion bzw. Dilatation der Quarzstruktur. Man nennt dies den reziproken piezoelektrischen Effekt..3 Piezoelektrische Keramiken Nach dem zweiten Weltkrieg erreichten die Piezoelektrika mit der Entdeckung, dass es auch polykristalline Keramiken mit piezoelektrischen Eigenschaften gibt, eine enorme technische Bedeutung. Auf den ersten Blick enthält der Begriff piezoelektrische Keramik einen Widerspruch, da ein polykristalliner Körper wegen der statistischen Orientierung der einzelnen Körner isotropes Verhalten aufweist

4 16 Kapitel. Piezoelektrische Materialien und ein makroskopisches Inversionszentrum besitzt [70]. Aus diesem Grund weisenpiezokeramikenkeinmakroskopischespiezoelektrischesverhaltenauf,obwohl das einzelne einkristalline Korn piezoelektrische Eigenschaften hat. Besitzt der Keramikkörper eine singuläre polare Achse, deren Richtungssinn durch ein äußeres elektrisches Feld zwischen verschiedenen kristallographisch vorgegebenen Achsen umorientiert werden kann, so kann die makroskopische Inversion aufgehoben werden. Man bezeichnet die Keramiken, deren spontane Polarisation durch ein externes elektrisches Feld umorientiert werden kann und bei denen die Ausrichtung der spontanen Polarisation in Abwesenheit eines äußeren elektrischen Felds erhalten bleibt, als Ferroelektrika. Zu den heute am meisten eingesetzten piezoelektrischen Materialien zählen die polykristallinen Keramiken wie z. B. Bariumtitanat (BaTiO 3 ) und Bleizirkonat Bleititanat (PZT). Ihr Vorteil gegenüber den einkristallinen Piezoelektrika stellen die deutlich geringeren Herstellungskosten und die nahezu beliebigen Formgebungsmöglichkeiten dar. Des Weiteren besitzen sie ausgezeichnete piezoelektrische und dielektrische Eigenschaften, weshalb sie für die unterschiedlichsten Einsatzmöglichkeiten im Bereich der Aktorik und Sensorik geradezu prädestiniert sind [71]..4 PerowskitStruktur von PZT BleizirkonatBleititanat (PZT) tritt in der PerowskitStruktur ferroelektrischer Kristalle der Art ABO 3 auf. Bei der PerowskitStruktur stellt A einzweifachpositiv geladenes Ion (Blei), B ein vierfach positiv geladenes Ion (Titan, Zirkon) und O ein zweifach negativ geladenes Sauerstoffion dar. Oberhalb einer bestimmten Temperatur T C, welche als CurieTemperatur bezeichnet wird, weist die Elementarzelle der Keramik eine kubische Struktur auf (s. Abb..3a). Wegen des vorhandenen Symmetriezentrums tritt in dieser Kristallstruktur keine Piezoelektrizität auf. Bei Unterschreiten der CurieTemperatur geht das Kristallgitter aus energetischen Gründen spontan vom kubischen in einen tetragonal verzerrten Zustand über [7]. Dabei wird das Sauerstoffionengitter im tetragonalen Fall in Richtung der kristallographischen cachse verschoben, gleichzeitig erfolgt eine Verrückung des positiven Ionengitters in die entgegengesetzte Richtung. Dies führt dazu, dass die Elementarzelle in Richtung der cachse gedehnt wird, wobei gleichzeitig in Richtung der beiden aachsen eine Kontraktion erfolgt (s. Abb..3b). Die beim Übergang von der paraelektrischen in die ferroelektrische Phase entstehende Verzerrung bezeichnet man als spontane Deformation. Mit ihr gekoppelt ist die Entstehung eines Dipolmoments, welches seine Ursache in der nichtzentrosymmetrischen Struktur der tetragonalen Einheitszelle hat. Der Wert des Dipolmoments bezogen auf das Einheitsvolumen der Zelle bezeichnet man als spontane Polarisation P s, die parallel oder antiparallel zur cachse ausgerichtet ist. Der Übergang vom kubischen Gitter

5 .5. Domänen und Umpolungsprozesse von PZT 17 : : : A + 4 B + O P s c a a T T C T < T > C a) b) Abbildung.3: PerowskitSruktur ferroelektrischer Kristalle der Art ABO 3.a)Kubisches Gitter oberhalb der CurieTemperatur; b) Tetragonales Gitter unterhalb der CurieTemperatur. in die tetragonale Struktur erlaubt folglich drei Richtungen für die spontane Dehnung und entsprechend sechs Richtungen für die spontane Polarisation [73]. Bei Anlegen eines äußeren elektrischen Felds entsteht aufgrund der Kraftwirkung auf die vorhandenen Ladungsschwerpunkte in der tetragonal verzerrten Elementarzelle eine zusätzlich feldinduzierte Polarisation und Deformation. Sie ist umso größer, je höher der Grad der Parallelität zwischen der Richtung der spontanen Polarisation und spontanen Deformation einerseits und der Richtung des äußeren elektrischen Felds andererseits ist (reziproker piezoelektrischer Effekt). Bei einer äußeren mechanischen Belastung und dem damit verbundenen mechanischen Spannungsfeld werden die Ladungsschwerpunkte der Elementarzelle verrückt und es entsteht eine zusätzliche Polarisation und Deformation (direkter piezoelektrischer Effekt). Um das elektromechanische Verhalten ferroelektrischer Keramiken wie z. B. PZT besser verstehen zu können, ist es notwendig auf die Domänen und Umpolungsprozesse von PZT näher einzugehen..5 Domänen und Umpolungsprozesse von PZT In einem piezoelektrischen einkristallinen Material wie z. B. αquarz sind die Richtungen für die spontane Polarisation der Elementarzelle vorgegeben. Die Dipole der Elementarzellen beeinflussen sich gegenseitig so, dass Bereiche einheitlicher Dipolausrichtung entstehen. Diese Bereiche bezeichnet man als Weißsche Bezirke oder Domänen. Den Genzbereich einzelner Domänen bezeichnet man als Domä

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