Пьезоэлектрический эффект представляет собой явление возникновения электрического поля в кристалле при механическом воздействии (сжатии или растяжении) и, наоборот, деформации кристалла под действием электрического поля. Этот эффект обусловлен несимметричным расположением атомов в кристаллической решётке и отсутствием центра инверсии. Ключевое условие пьезоэлектричества — кристалл должен принадлежать к одной из 20 несинхронизированных симметричных кристаллических систем, исключающих центр симметрии.
Пьезоэлектрические материалы делятся на естественные и синтетические. Естественные кристаллы включают кварц, турмалин, рожева апатит, у которых асимметричная кристаллическая решётка обеспечивает возникновение поляризации при деформации. Синтетические материалы, такие как титанат бария (BaTiO₃) и цирконат-титанат свинца (PZT), обладают контролируемыми свойствами благодаря поляризации доменов.
На атомарном уровне пьезоэлектрический эффект возникает из-за смещения положительных и отрицательных зарядов при механическом воздействии. В невыровненных и асимметричных кристаллах смещение атомных групп создает локальные диполи, суммирующиеся в макроскопическую поляризацию. Прямая формула описания эффекта связывает механическое напряжение ( {ij} ) с электрической поляризацией ( P_k ) через пьезоэлектрический тензор ( d{kij} ):
[ P_k = d_{kij} _{ij}]
Обратный эффект выражается деформацией ( S_{ij} ) кристалла под воздействием электрического поля ( E_k ):
[ S_{ij} = d_{kij} E_k]
Прямой эффект – возникновение электрической поляризации при механическом напряжении. Используется для преобразования механической энергии в электрическую, например, в датчиках давления, ускорения и ударных сенсорах.
Обратный эффект – механическая деформация под действием электрического поля. Основное применение в актуаторах, пьезоэлектрических приводах, ультразвуковых преобразователях.
Постоянная и переменная поляризация – постоянный эффект наблюдается при стабильной кристаллической структуре, переменный проявляется в материалах с фазовыми переходами или поляризационными доменами, управляемыми внешним электрическим полем.
Свойства пьезоэлектриков сильно зависят от доменной структуры — участков кристалла с однонаправленной поляризацией. Домены формируются при охлаждении через температуру Кюри, и их ориентация определяет величину макроскопического пьезоэлектрического отклика. Поляризация достигает максимума после процесса поляризации (полинга), при котором внешнее электрическое поле выравнивает домены.
[ d_{eff} ]
Пьезоэлектрики обладают уникальным сочетанием свойств:
Пьезоэлектрические свойства сильно зависят от температуры. Температура Кюри — критическая точка, при которой кристалл теряет асимметрию и пьезоэлектрический эффект исчезает. Например, кварц сохраняет пьезоэффект при температуре до 573 °C, а BaTiO₃ теряет его при 120 °C. У материалов с многокомпонентными системами возможны последовательные фазовые переходы, влияющие на коэффициент пьезоэффекта и механические характеристики.
Пьезоэлектрические материалы находят широкое применение в:
Исследования сосредоточены на создании композитных пьезоэлектриков, где керамика соединена с полимерами для улучшения механической гибкости и чувствительности. Ведутся разработки в области нанопьезоэлектричества, где эффекты проявляются в наноструктурах и тонких пленках, что открывает возможности для микро- и наноэлектромеханических систем (MEMS/NEMS).
Также активно изучаются многофункциональные материалы, сочетающие пьезоэлектрические, пьезомагнитные и феромагнитные свойства, позволяющие создавать сенсорные и исполнительные устройства нового поколения с высокой энергоэффективностью и миниатюризацией.