焦電性

焦電性（ギリシャ語のpyr (πυρ)、「火」と電気に由来）は、特定の結晶の特性で、自然に電気的に分極し、その結果、大きな電界が発生します。^[1]焦電性は、特定の材料が加熱または冷却されたときに一時的な電圧を生成する能力として説明できます。 ^[2]^[3]温度の変化により、結晶構造内の原子の位置がわずかに変化し、材料の分極が変わります。この分極の変化により、結晶全体に電圧が発生します。温度が新しい値で一定に保たれると、焦電電圧は漏れ電流により徐々に消えます。漏れは、結晶内を移動する電子、空気中を移動するイオン、または結晶に取り付けられた電圧計から漏れる電流が原因である可能性があります。 ^[3]^[4]

説明

鉱物の焦電電荷は、非対称結晶の反対側の面で発生します。焦電材料全体にわたって電荷の伝播方向は通常一定ですが、一部の材料では、近くの電界によってこの方向が変わることがあります。これらの材料は強誘電性を示すと言われています。

既知の焦電材料はすべて圧電性も持っています。焦電性であるにもかかわらず、窒化ホウ素アルミニウム（BAlN）や窒化ホウ素ガリウム（BGaN）などの新しい材料は、特定の組成においてc軸に沿った歪みに対して圧電応答がゼロであり、^[5] 2つの特性は密接に関連しています。ただし、一部の圧電材料は焦電性を許さない結晶対称性を持っていることに注意してください。

焦電材料は主に硬くて結晶ですが、エレクトレットを使用することで柔らかい焦電性を実現できます。^[6]

焦電性は、温度変化に比例する正味の分極 (ベクトル) の変化として測定されます。一定応力で測定される全焦電係数は、一定ひずみでの焦電係数 (一次焦電効果) と熱膨張による圧電寄与 (二次焦電効果) の合計です。通常の状況では、極性材料であっても正味の双極子モーメントは示されません。結果として、棒磁石の電気双極子相当物は存在しません。これは、内部伝導または周囲の大気から表面に蓄積される「自由」電荷によって固有の双極子モーメントが中和されるためです。極性結晶は、何らかの形で乱されて、補償表面電荷とのバランスが一時的に崩れたときにのみ、その性質を明らかにします。

自発分極は温度に依存するため、良好な摂動プローブは表面への電荷の流れや表面からの電荷の流れを誘発する温度変化です。これが焦電効果です。すべての極性結晶は焦電性であるため、10 の極性結晶クラスは焦電クラスと呼ばれることもあります。焦電性材料は、赤外線およびミリメートル波長の放射線検出器として使用できます。

エレクトレットは永久磁石の電気的等価物です。

数学的記述

焦電係数は、自発分極ベクトルの温度による変化として記述される：^[7] ここで、p _i (Cm ⁻² K ⁻¹ )は焦電係数のベクトルである。 $p_{i}={\frac {\partial P_{S,i}}{\partial T}}$

歴史

焦電効果の最初の記録は、1707年にヨハン・ゲオルク・シュミットによってなされた。彼は「[熱い]トルマリンは、磁石が鉄にするように、暖かいまたは燃えている石炭の灰を引き寄せるが、[接触後に]再び反発する」と記した。^[8] 1717年にルイ・レメリーは、シュミットと同様に、非導電性物質の小さな破片が最初はトルマリンに引き寄せられるが、石に接触すると反発されることに気づいた。^[9] 1747年にリンネは初めてこの現象を電気と関連付けた（彼はトルマリンを「電気石」と呼んだ）が、^{[10]これは1756年に}フランツ・ウルリッヒ・テオドール・エピヌスによって初めて証明された。^[11]

焦電性の研究は19世紀にさらに洗練されました。1824年にサー・デイヴィッド・ブリュースターがこの現象に今日のような名前を付けました。^[12]ウィリアム・トムソンは1878年に^[13]、ウォルデマー・フォークトは1897年に^[14]、焦電性の背後にあるプロセスの理論構築に貢献しました。ピエール・キュリーと弟のジャック・キュリーは1880年代に焦電性を研究し、圧電性の背後にあるメカニズムのいくつかを発見しました。^[15]

焦電性に関する最初の記録は、テオプラストス（紀元前314年頃）によるものと誤って考えられている。この誤解はトルマリンの焦電特性の発見直後に起こり、当時の鉱物学者はトルマリンと伝説の石であるリングリウムを関連付けた。^[16] テオプラストスの著作では、リングリウムは琥珀に似ていると説明されているが、焦電特性については特に言及されていない。^[17]

クリスタルクラス

すべての結晶構造は、結晶構造を変えない回転軸と反射面の数に基づいて、 32 の結晶クラスのいずれかに属します(点群)。32 の結晶クラスのうち、21 は非中心対称(対称中心を持たない) です。この 21 のうち、20 は直接圧電性を示し、残りの 1 つは立方クラス 432 です。この 20 の圧電クラスのうち 10 は極性、つまり自発分極を持ち、単位セル内に双極子を持ち、焦電性を示します。この双極子が電場を印加することで反転できる場合、その材料は強誘電体であると言われています。どの誘電体も電場を印加すると誘電分極 (静電気)を生じますが、電場がなくてもこのような自然な電荷分離を持つ物質は極性物質と呼ばれます。物質が極性であるかどうかは、その結晶構造によってのみ決まります。32 の点群のうち、10 だけが極性です。すべての極性結晶は焦電性であるため、10 個の極性結晶クラスは焦電性クラスと呼ばれることもあります。

圧電結晶クラス: 1、2、m、222、mm2、4、-4、422、4mm、-42m、3、32、3m、6、-6、622、6mm、-62m、23、-43m

焦電型: 1、2、m、mm2、3、3m、4、4mm、6、6mm

焦電材料

人工の焦電材料が開発されているが、その効果はトルマリンなどの鉱物で初めて発見された。焦電効果は骨や腱にも存在する。^[18]

最も重要な例は半導体である窒化ガリウムである。 ^[19]この材料の大きな電界は発光ダイオード（LED）には有害であるが、パワートランジスタの製造には有用である。^[要出典]

人工焦電材料（通常は薄膜の形態）の開発は、窒化ガリウム（Ga N）、硝酸セシウム（Cs N O ₃）、ポリフッ化ビニル、フェニルピリジン誘導体、コバルトフタロシアニンなどを用いて進められている。タンタル酸リチウム（Li Ta O _{3 ）は、}圧電特性と焦電特性の両方を示す結晶であり、小規模核融合（焦電融合）を実現するために使用されている。^{[20]最近、}CMOS製造の標準材料であるドープ酸化ハフニウム（Hf O ₂ ）に焦電特性と圧電特性があることが発見された。^[21]

アプリケーション

熱センサー

非常に小さな温度変化でも焦電電位が発生することがあります。受動型赤外線センサーは焦電材料を中心に設計されることが多く、数フィート離れた人間や動物の熱でも電圧を発生させるのに十分です。^[22]

発電

焦電体は繰り返し加熱と冷却を繰り返すことで（熱機関と同様に）、使用可能な電力を生成することができる。熱機関の例としては、ガソリン自動車に見られるような内燃機関のピストンの動きが挙げられる。^[23]

あるグループは、エリクソンサイクルの焦電体はカルノー効率の50%に達する可能性があると計算しましたが^[24]^[25]、別の研究では、理論的にはカルノー効率の84-92%に達することができる材料が見つかりました^{[26] （これらの効率値は焦電体自体のものであり、}基板の加熱と冷却による損失、その他の熱伝達損失、およびシステム内の他の場所でのその他のすべての損失は無視されています）。

従来の熱機関と電気発電機との比較で、焦電発電機による発電には次のような利点があります。

廃熱からのエネルギー回収^[27]
動作温度が低くなる可能性がある
かさばらない機器
可動部品が少ない。^[28]

このような装置に関する特許はいくつか申請されているものの、^[29]このような発電機は商業化にはまだほど遠いようです。

核融合

焦電材料は、核融合プロセスで重水素イオンを誘導するために必要な大きな電界を生成するために使用されてきました。これは焦電核融合として知られています。

参照

参考文献

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外部リンク

THzアプリケーション向け焦電検出器 WiredSense
焦電型赤外線検出器 DIAS赤外線
DoITPoMS 教育学習パッケージ - 「焦電材料」
タンタル酸リチウム (LiTaO3)
タンタル酸リチウム (LiTaO3)
タンタル酸リチウムによるレーザー検出 2016-03-03 にWayback Machineでアーカイブ
Sr(x)Ba(1-x)Nb(2)O(6)の光学特性と誘電特性
Ce,Mn:SBNの誘電特性と電気特性

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説明