焦電効果

焦電性（ギリシャ語のpyr (πυρ)「火」とelectricに由来）は、自然に電気的に分極し、その結果として大きな電場を含む特定の結晶の特性です。^{[ 1 ]}焦電性とは、特定の物質が加熱または冷却されたときに一時的な電圧を発生させ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するため、物質の分極が変化します。この分極の変化により、結晶の両端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、漏洩電流により焦電電圧は徐々に消滅します。漏洩は、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を介して漏れる電流によって発生する可能性があります。^{[ 3 ] [ 4 ]}

鉱物中の焦電電荷は、非対称結晶の対向する面に発生する。電荷の伝播方向は通常、焦電材料全体で一定であるが、一部の材料では、近傍の電場によってこの方向が変化することがある。このような材料は強誘電性を示すと言われている。

既知の焦電材料はすべて圧電性も有するが、圧電結晶すべてが焦電性を持つわけではない。^{[ 5 ]}焦電性を持つにもかかわらず、窒化ホウ素アルミニウム（BAlN）や窒化ホウ素ガリウム（BGaN）などの新規材料は、特定の組成においてc軸方向の歪みに対する圧電応答がゼロである。 ^{[ 6 ]}この2つの特性は密接に関連している。ただし、一部の圧電材料は、焦電性を許容しない結晶対称性を持っていることに注意する必要がある。

焦電材料は主に硬質結晶ですが、エレクトレットを使用することで軟らかい焦電性を実現できます。^{[ 7 ]}

焦電性は、温度変化に比例する正味分極（ベクトル）の変化として測定されます。一定応力下で測定される全焦電係数は、一定ひずみ下での焦電係数（一次焦電効果）と熱膨張による圧電効果（二次焦電効果）の合計です。通常の状態では、極性物質であっても正味の双極子モーメントは示しません。その結果、固有の双極子モーメントは、内部伝導または周囲の雰囲気から表面に蓄積される「自由」電荷によって中和されるため、棒磁石に相当する電気双極子は存在しません。極性結晶は、補償表面電荷とのバランスを一時的に崩すような何らかの摂動を受けた場合にのみ、その性質を示します。

自発分極は温度に依存するため、優れた摂動プローブは、表面への電荷の流れを誘起する温度変化です。これが焦電効果です。すべての極性結晶は焦電性を示すため、10種類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。焦電材料は、赤外線およびミリ波放射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ある。

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、彼は「熱い」トルマリンが磁石が鉄を引きつけるように、温かいまたは燃えている石炭の灰を引きつけるが、接触後には再び反発すると指摘した。^{[ 9 ]} 1717年、ルイ・ルメリーはシュミットと同様に、非導電性の小さな破片が最初はトルマリンに引きつけられるが、石に接触すると反発されることに気づいた。^{[ 10 ]} 1747年、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「電気の石」を意味するLapidem Electricumと呼んだ） ^{[ 11 ]}が、これは1756年にフランツ・ウルリヒ・テオドール・エピヌスによって証明されるまでは証明されなかった。^{[ 12 ]}

焦電現象の研究は19世紀に高度化しました。1824年にデイビッド・ブリュースター卿が、この現象に今日と同じ名前を付けました。^{[ 13 ]} 1878年のウィリアム・トムソン^{[ 14 ]}と1897年のヴォルデマール・フォークト^{[ 15 ]}は、焦電現象の背後にあるプロセスの理論の発展に貢献しました。ピエール・キュリーとその弟ジャック・キュリーは1880年代に焦電現象を研究し、圧電効果の背後にあるメカニズムの一部を発見しました。^{[ 16 ]}

テオフラストス（紀元前314年頃）が焦電現象を初めて記録した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が発見された直後に生じ、当時の鉱物学者が伝説の石リンギュリウムをトルマリンと関連付けたためである。^{[ 17 ]}テオフラストスの著作では、リンギュリウムは琥珀に似ていると記述されているが、焦電特性については何も明記されていない。^{[ 18 ]}

すべての結晶構造は、回転軸と反射面の数に基づいて、結晶構造を変化させない32 の結晶クラス(点群) のいずれかに属します。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 は立方晶クラス 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、単位格子内に双極子を持ち、焦電性を示します。この双極子が電場の印加によって反転できる場合、その物質は強誘電体であると言われます。誘電体は、電場が印加されると誘電分極 (静電気)を生じますが、電場がない場合でもそ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、その結晶構造のみによって決まります。32 の点群のうち、極性を持つのは 10 だけです。すべての極性結晶は焦電性を示すため、10種類の極性結晶は焦電性結晶群と呼ばれることもある。

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

焦電性: 1、2、m、mm2、3、3m、4、4mm、6、6mm

人工焦電材料は開発されているが、この効果はトルマリンなどの鉱物で最初に発見された。焦電効果は骨や腱にも存在する。^{[ 19 ]}

最も重要な例は半導体である窒化ガリウムである。^{[ 20 ]}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。

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、重水素化L-アラニンをドープしたトリグリシン硫酸塩、ニオブ酸リチウム、フタロシアニンコバルトなどを用いて、通常は薄膜の形で人工焦電材料の作製が進められてきた。タンタル酸リチウム( Li Ta O 3 )は_圧電性と焦電性の両方を示す結晶であり、小規模核融合(「焦電核融合」)に用いられてきた。 ^{[ 21 ]}最近では、 CMOS製造の標準材料であるドープされた酸化ハフニウム( Hf O ₂ )に焦電性と圧電性が発見された。 ^{[ 22 ]}強誘電体セラミックスも焦電性を示すことがある。^{[ 23 ]}

温度変化に応じて電荷を発生させる焦電材料は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換したり、温度変化を検出したりできるため、多様な用途があります。主な用途は以下のとおりです。

• 電気熱量効果は、焦電効果とは逆の効果である。
• ケルビンプローブ力顕微鏡
• タンタル酸リチウム
• 熱電効果
• 酸化亜鉛

• Gautschi, Gustav, 2002, Piezoelectric Sensorics , Springer, ISBN 3-540-42259-5圧電センサ：力、ひずみ、圧力、加速度、音響放射センサの材料と増幅器

• THzアプリケーション向け焦電型検出器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を用いたレーザー検出（2016年3月3日にWayback Machineにアーカイブ済み）
• Sr(x)Ba(1-x)Nb(2)O(6)の光学的および誘電的特性
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