Структурная обусловленность свойств. Часть IV. Кристаллохимия материалов нелинейной оптики. Кристаллохимия пьезоэлектриков. Кузьмичева Г.М. - 26 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

МИРЭА | Москва

Составители: 

Рубрика: 

51
Пьезоэлектрические свойства.
Под действием механического напряжения или
деформации в кристалле возникает электрическая
поляризация, величина и знак которой зависит от
приложенного напряжения. Это явление называют
пьезоэлектрическим эффектом. Пьезоэлектрическими свойствами
могут обладать нецентросимметричные кристаллы, к которым
относятся кристаллы семейства лангасита.
При пьезоэлектрическом эффекте возникшее в кристаллах
электрическое поле можно охарактеризовать вектором
электрической поляризации P, вектором электростатического
смещения D или вектором Е, а действующее на кристалл
механическое усилие – тензором механических напряжений T
ij
или
тензором деформаций ε
ij
. Таким образом, тензорное воздействие
вызывает векторное явление: P
i
~ T
jk
и, следовательно,
связывающее их свойство кристалла должно быть тензором
третьего ранга: d
ijk
- тензор пьезоэлектрических модулей, P
i
= d
ijk
T
jk
.
Матрица пьезоэлектрического модуля лангасита имеет вид
(d
11
=d
111
, d
14
=d
132
+d
123
):
d
11
-d
11
0
d
14
0
0
0
0
0
0
-d
14
2d
11
0
0
0
0
0
0
Кристаллохимические особенности структуры типа лангасита
могут быть полезными для понимания взаимосвязи структуры и
пьезосвойств. Приложенное напряжение вдоль оси а (рис.16)
действует на додекаэдр, в котором расположен атом La, на октаэдр
(позиция Ga(1)) и на тетраэдр (позиция Ga(2)), которые могут
деформироваться под действием внешней силы и смещаться вдоль
осей 2, создавая индуцированную поляризацию на гранях (10
1
0).
Влияние структуры для проявления пьезоэффекта наглядно
проявляется в знаке коэффициента d
11
, отрицательном для всех
52
исследованных представителей семейства лангасита.
Отрицательный знак d
11
означает смещение катионов
томсоновского куба (додекаэдра) под действием давления вдоль
оси а к началу координат.
Действительно, анализ экспериментальных значений
пьезоэлектрических модулей совместно с кристаллохимическими
параметрами (координация катионов и их радиусы) показал, что
чем больше радиус катиона в позициях додекаэдра (КЧ 8) и
октаэдра (КЧ 6), тем выше значение коэффициентов
пьезоэлектрических модулей d
11
и d
14
. С другой стороны, чем
больше радиус катиона в тригонально-пирамидальной позиции
Ga(3) c КЧ(3+1), тем ниже значение коэффициентов
пьезоэлектрических модулей d
11
и d
14
(табл. 4).
Таблица 4. Связь между характеристиками свойств
(пьезомодули) и составами кристаллов семейства лангасита.
Соединение
d
11
x10
-8
r
i
, Å
Nd
3
Ga
5
SiO
14
12.4
r
Nd
VIII
=1.11
La
3
Ga
5
SiO
14
18.5
r
La
VIII
=1.16
Ca
3
Ga
2
Ge
4
O
14
16.1
r
Ca
VIII
=1.12
Sr
3
Ga
2
Ge
4
O
14
27.46
r
Sr
VIII
=1.26
La
3
Ga
5
SiO
14
18.5
r
Si
IV
=0.26
La
3
Ga
5
GeO
14
15.6
r
Ge
IV
=0.39
La
3
Nb
0.5
Ga
5.5
O
14
19.9
r
Nb
VI
=0.64
La
3
Ta
0.5
Ga
5.5
O
14
24.1
r
Ta
>r
Ta
На рис. 19 представлена зависимость между коэффициентами
пьезоэлектрических модулей d
11
и d
14
и радиусом катиона в
додекаэдрической позиции. 
                              51                                                                         52
                  Пьезоэлектрические свойства.                           исследованных        представителей      семейства    лангасита.
                                                                         Отрицательный      знак    d11  означает     смещение  катионов
  Под    действием    механического    напряжения    или                 томсоновского куба (додекаэдра) под действием давления вдоль
деформации    в    кристалле   возникает   электрическая                 оси а к началу координат.
поляризация, величина и знак которой зависит от                          Действительно,       анализ     экспериментальных      значений
                                                                         пьезоэлектрических модулей совместно с кристаллохимическими
приложенного    напряжения.   Это    явление   называют
                                                                         параметрами (координация катионов и их радиусы) показал, что
пьезоэлектрическим эффектом. Пьезоэлектрическими свойствами
                                                                         чем больше радиус катиона в позициях додекаэдра (КЧ 8) и
могут обладать нецентросимметричные кристаллы, к которым
                                                                         октаэдра (КЧ 6), тем выше значение коэффициентов
относятся кристаллы семейства лангасита.
                                                                         пьезоэлектрических модулей d11 и d14. С другой стороны, чем
   При пьезоэлектрическом эффекте возникшее в кристаллах
                                                                         больше радиус катиона в тригонально-пирамидальной позиции
электрическое       поле     можно     охарактеризовать    вектором
                                                                         Ga(3) c КЧ(3+1), тем ниже значение коэффициентов
электрической поляризации P, вектором электростатического
                                                                         пьезоэлектрических модулей d11 и d14 (табл. 4).
смещения D или вектором Е, а действующее на кристалл
механическое усилие – тензором механических напряжений Tij или
тензором деформаций εij. Таким образом, тензорное воздействие               Таблица 4. Связь между характеристиками свойств
вызывает векторное явление: Pi ~ Tjk и, следовательно,                   (пьезомодули) и составами кристаллов семейства лангасита.
связывающее их свойство кристалла должно быть тензором
третьего ранга: dijk- тензор пьезоэлектрических модулей, Pi = dijkTjk.       Соединение          d11 x10-8    d14 x10-8        ri , Å
                                                                                                                              VIII
   Матрица пьезоэлектрического модуля лангасита имеет вид                    Nd3Ga5SiO14           12.4         9.75       rNd =1.11
(d11=d111, d14=d132+d123):                                                   La3Ga5SiO14           18.5         16.1       rLaVIII=1.16
                                                                            Ca3Ga2Ge4O14           16.1         6.78       rCaVIII=1.12
              d11    -d11    0     d14   0       0                           Sr3Ga2Ge4O14         27.46         20.9       rSrVIII=1.26
              0      0       0     0     -d14    2d11                         La3Ga5SiO14          18.5         16.1        rSiIV=0.26
              0      0       0     0     0       0                            La3Ga5GeO14          15.6         15.9        rGeIV=0.39
   Кристаллохимические особенности структуры типа лангасита                 La3Nb0.5Ga5.5O14       19.9        16.65        rNbVI=0.64
могут быть полезными для понимания взаимосвязи структуры и                  La3Ta0.5Ga5.5O14       24.1        17.41          rTa>rTa
пьезосвойств. Приложенное напряжение вдоль оси а (рис.16)
действует на додекаэдр, в котором расположен атом La, на октаэдр            На рис. 19 представлена зависимость между коэффициентами
(позиция Ga(1)) и на тетраэдр (позиция Ga(2)), которые могут             пьезоэлектрических модулей d11 и d14 и радиусом катиона в
деформироваться под действием внешней силы и смещаться вдоль             додекаэдрической позиции.
осей 2, создавая индуцированную поляризацию на гранях (10 1 0).
Влияние структуры для проявления пьезоэффекта наглядно
проявляется в знаке коэффициента d11, отрицательном для всех

Страницы