Um olhar mais atento ao cristal piezoelétrico

Introdução

Os cristais piezoelétricos são uma classe de materiais cristalinos capazes de induzir mudanças na distribuição de carga e gerar respostas de campo elétrico por meio de estresse mecânico. As propriedades exclusivas desse material o tornam útil em muitos campos, especialmente na tecnologia de sensores e na conversão de energia. A principal característica é que os cristais piezoelétricos se deformam ou redistribuem a carga quando uma tensão mecânica ou um campo elétrico é aplicado, permitindo uma conversão eficiente entre energia elétrica e mecânica. Com o avanço da tecnologia, os campos de aplicação dos cristais piezoelétricos estão se expandindo. De materiais inteligentes a tecnologias de recuperação de energia, seu potencial inovador leva a novas oportunidades e soluções para o setor. Portanto, uma compreensão profunda das propriedades e aplicações dos cristais piezoelétricos é essencial para entender a direção da tecnologia moderna.

O que é um cristal piezoelétrico?

Um cristal piezoelétrico é um cristal não centrossimétrico. Quando submetido a uma força mecânica, ele se deforma, causando o deslocamento relativo de pontos de plasma carregados. Isso resulta no aparecimento de cargas ligadas positivas e negativas na superfície do cristal. Quando a força externa é removida, o cristal retorna ao seu estado sem carga. Esse fenômeno é conhecido como efeito piezoelétrico.

O cristal piezoelétrico tem um eixo polar com uma diferença de potencial em ambas as extremidades, o que é conhecido como piezoeletricidade. A quantidade de carga produzida por uma força aplicada a um cristal é diretamente proporcional à magnitude da força externa. Por outro lado, se um campo elétrico for aplicado ao cristal, ele será deformado mecanicamente em uma determinada direção; quando o campo elétrico aplicado for retirado, a deformação desaparecerá. Esse fenômeno é chamado de efeito piezoelétrico inverso, também conhecido como efeito de eletrostrição.

O cristal (α-quartzo) é um cristal piezoelétrico bem conhecido. Os cristais piezoelétricos comuns incluem esfalerita, calcita, turmalina, zincita vermelha, GaAs, titanato de bário e seus cristais estruturais derivados, KH2PO4, NaKC4H4O6-4H2O (sal de roseta) e açúcar de mesa.

Fig. 1 Cristais de quartzo natural

Características da estrutura cristalina dos cristais piezoelétricos

Os cristais piezoelétricos geralmente têm uma estrutura cristalina não centrossimétrica. Os materiais piezoelétricos comuns, como quartzo (SiO₂), titanato de bário (BaTiO₃) e cerâmica PZT (titanato de zircônio e chumbo), se enquadram nessa categoria.

Em uma estrutura cristalina não centrossimétrica, os dipolos elétricos (ou seja, os centros de carga) não se cancelam mutuamente, de modo que todo o cristal exibe um momento de dipolo elétrico líquido. Os dipolos elétricos (que consistem em centros de carga positiva e negativa) dentro de um cristal piezoelétrico geralmente são distribuídos aleatoriamente no estado natural e não apresentam polarização macroscópica. Por meio de um tratamento de polarização (aquecimento acima da temperatura de Curie, aplicação de um forte campo elétrico e, em seguida, resfriamento), os dipolos elétricos podem ser reorganizados na presença de um campo elétrico aplicado para alinhá-los na direção do campo elétrico, dando ao material um estado permanentemente polarizado.

Fig. 2 Estrutura cristalina do quartzo (SiO2)

Princípios dos fenômenos piezoelétricos

Quando uma tensão mecânica é aplicada a um cristal piezoelétrico (por exemplo, compressão ou alongamento), pequenos deslocamentos dos dipolos elétricos dentro do cristal resultam em uma redistribuição dos centros de carga, gerando uma carga na superfície do cristal. Essa distribuição de carga produz uma diferença de potencial que pode ser medida e expressa como uma tensão piezoelétrica. Esse processo de geração de carga por pressão é o efeito piezoelétrico positivo.

Dessa forma, quando um campo elétrico é aplicado a um cristal piezoelétrico, os dipolos elétricos dentro do cristal se reorganizam ou giram em resposta ao campo elétrico, resultando na deformação mecânica do cristal. Essa deformação pode impulsionar o movimento mecânico, como em um atuador piezoelétrico. Esse fenômeno é chamado de efeito piezoelétrico inverso.

Fig. 3 Efeito piezoelétrico

Ele é causado principalmente pelo rearranjo dos dipolos elétricos e pelo acoplamento da tensão e do campo elétrico. O rearranjo dos dipolos elétricos ocorre principalmente acima da temperatura de Curie, quando a estrutura cristalina do material piezoelétrico permite que os dipolos elétricos girem livremente. Quando um campo elétrico é aplicado, os dipolos elétricos são alinhados ao longo da direção do campo elétrico. Após o resfriamento, a direção de alinhamento dos dipolos elétricos é fixa, fazendo com que o material exiba polarização macroscópica. O efeito de acoplamento da tensão e do campo elétrico se manifesta no fato de que, quando a tensão mecânica é aplicada, a estrutura do cristal sofre pequenas alterações e as posições relativas dos dipolos elétricos são alteradas, levando à redistribuição dos centros de carga e à geração de cargas elétricas; quando um campo elétrico é aplicado, o rearranjo dos dipolos elétricos leva à deformação da estrutura do cristal e à geração de tensões mecânicas.

Polarização de cristais piezoelétricos

O que é polarização?

A polarização de cristais piezoelétricos é o alinhamento dos dipolos elétricos em um material piezoelétrico em uma direção específica por meio da aplicação de um forte campo elétrico. Esse processo dá ao material a capacidade de adquirir o efeito piezoelétrico e maximizar suas propriedades piezoelétricas.

Fig. 4 Polarização de cerâmica

Etapas do tratamento de polarização

1. Preparação dos materiais: Os materiais piezoelétricos (por exemplo, titanato de bário, cerâmica PZT, etc.) são preparados no formato e tamanho desejados.

2. Aquecimento: Aquecer o material acima de sua temperatura Curie. A temperatura de Curie é a temperatura na qual o material muda de uma fase ferroelétrica para uma fase cis-elétrica. Nessa temperatura, os dipolos elétricos dentro do material estão em um estado orientado aleatoriamente.

3. Campo elétrico aplicado: Um forte campo elétrico (geralmente alguns milhares de volts por milímetro) é aplicado ao material em uma temperatura alta. Esse campo elétrico faz com que os dipolos elétricos dentro do material se reorganizem e se alinhem na direção do campo elétrico.

4. Resfriamento: O material é resfriado abaixo da temperatura de Curie enquanto o campo elétrico é mantido. Durante o processo de resfriamento, os dipolos elétricos permanecem alinhados ao longo da direção do campo elétrico, resultando em um estado permanentemente polarizado do material.

5. Remoção do campo elétrico: Depois que o material é resfriado à temperatura ambiente, o campo elétrico externo pode ser removido e, nesse momento, o material adquire propriedades piezoelétricas permanentes.

Princípio do processamento de polarização

Quando o material está acima da temperatura de Curie, o material piezoelétrico está na fase cis, e os dipolos elétricos estão livres para girar e se reorganizar. Nesse momento, é necessário fortalecer o campo elétrico para que o dipolo elétrico ao longo da direção do alinhamento do campo elétrico forme uma direção de polarização unificada. Depois que a direção de polarização desejada é alcançada, a temperatura é reduzida para permitir o resfriamento. O processo de resfriamento fixa o alinhamento dos dipolos de modo que eles permaneçam polarizados na ausência de um campo elétrico externo.

Importância do tratamento de polarização

O tratamento da polarização é fundamental para o desempenho dos materiais piezoelétricos. Os materiais não polarizados não apresentam efeitos piezoelétricos significativos, e as propriedades piezoelétricas (por exemplo, o coeficiente piezoelétrico) dos materiais polarizados são bastante aprimoradas, permitindo que eles convertam eficientemente a energia mecânica e elétrica. É por meio da polarização que os materiais piezoelétricos podem alcançar seu desempenho superior em aplicações como sensores, atuadores e componentes eletrônicos.

Materiais piezoelétricos comuns e suas aplicações

1. Quartzo

O quartzo é um cristal piezoelétrico natural amplamente utilizado, devido à sua estabilidade e alto desempenho em muitos campos. Sua composição química para o sistema de cristal hexagonal de dióxido de silício (SiO2), a aparência do cristal transparente incolor geral. O baixo coeficiente de expansão térmica (o quartzo comum tem um coeficiente de expansão térmica de cerca de 0,5*10^-6/°C) e o fator de alta qualidade (o quartzo tem um fator de qualidade de cerca de 115*1000) permitem que o quartzo seja excelente em osciladores e filtros de alta frequência, mesmo com coeficientes piezoelétricos relativamente baixos. O quartzo tem excelente estabilidade química e mecânica e mantém suas propriedades piezoelétricas em uma ampla faixa de temperatura.

Os cristais de quartzo são geralmente preparados tanto em minas naturais quanto sintetizados sinteticamente. Por ser um mineral natural, os cristais de quartzo são relativamente fáceis e baratos de se obter. O quartzo sintético pode ser usado com frequência para atender a requisitos de alta pureza e tamanho específico. O corte e o processamento dos cristais de quartzo podem ser controlados com precisão para garantir o melhor desempenho na aplicação. Diferentes direções de corte afetam as propriedades piezoelétricas do quartzo, como o corte AT e o corte BT.

Os osciladores de cristal de quartzo são usados em dispositivos eletrônicos, como relógios de quartzo, computadores e telefones celulares, para fornecer referências precisas de tempo. Os filtros feitos de cristais de quartzo podem ser usados em dispositivos de comunicação sem fio para garantir a qualidade e a estabilidade da transmissão do sinal. Os cristais de quartzo também são usados em sensores de pressão, acelerômetros e microfones para converter vibrações mecânicas em sinais elétricos em uma ampla gama de equipamentos de automação industrial, aeroespacial e de áudio.

As aplicações do quartzo em dispositivos de ondas acústicas de superfície (SAW) incluem filtros SAW e sensores SAW para processamento de sinais e monitoramento ambiental. Em equipamentos ópticos, os cristais de quartzo são usados para fabricar moduladores ópticos, prismas e lentes. Em equipamentos de ultrassom, os transdutores ultrassônicos de cristal de quartzo são usados para diagnósticos médicos e testes industriais. No campo da metrologia e dos equipamentos de teste, os cristais de quartzo são usados como fontes de frequência padrão em medidores de frequência e geradores de sinal. O quartzo ocupa uma posição indispensável na tecnologia e no setor modernos devido à sua alta estabilidade, alta precisão e baixo custo.

Fig. 5 Filtros de cristal de quartzo

2 Titanato de bário

O titanato de bário (BaTiO3), normalmente com cristais incolores ou brancos, tem uma estrutura calcogeneto (com diferentes fases cristalinas em diferentes temperaturas, como tetragonal, cúbica e hexagonal). As propriedades piezoelétricas do titanato de bário se originam da transição de fase cristalina e da quebra de simetria em sua estrutura calcogeneto devido a mudanças de temperatura. O titanato de bário mantém suas propriedades piezoelétricas em uma ampla faixa de temperaturas, o que o torna adequado para uso em uma variedade de condições ambientais.

As altas constantes piezoelétricas do titanato de bário (d31 é cerca de -80 x 10^-12 C/N, enquanto d33 é cerca de 190 x 10^-12 C/N) proporcionam excelente desempenho em muitas aplicações. A alta constante dielétrica do titanato de bário lhe confere uma alta capacitância em aplicações de capacitores. Em temperatura ambiente, sua constante dielétrica natural é de aproximadamente 1200.

Em dispositivos eletrônicos, o titanato de bário é usado na fabricação de capacitores de cerâmica multicamada (MLCCs), que têm alta capacitância e tamanho pequeno e são amplamente usados em smartphones, computadores e eletrodomésticos. No campo dos sensores, o titanato de bário é usado na fabricação de sensores de pressão e sensores de aceleração, que são usados em automação industrial, equipamentos médicos e eletrônicos automotivos.

O titanato de bário também é usado na fabricação de atuadores piezoelétricos, que produzem deformação mecânica sob tensão e são usados em sistemas de posicionamento de precisão, sistemas microeletromecânicos (MEMS) e alinhamento óptico. Os transdutores ultrassônicos são outra aplicação importante para o titanato de bário, que é amplamente utilizado em diagnósticos ultrassônicos médicos, testes industriais não destrutivos e equipamentos de limpeza ultrassônica.

O titanato de bário também é usado em filtros piezoelétricos e ressonadores em sistemas de comunicação sem fio para garantir a clareza do sinal e a qualidade da transmissão. Além disso, as propriedades piezoelétricas do titanato de bário são usadas para desenvolver dispositivos piezoelétricos de coleta de energia que convertem a vibração mecânica ou a energia cinética do ambiente em energia elétrica para alimentar dispositivos de baixa potência.

O titanato de bário também tem aplicações em conversores eletroacústicos, como alto-falantes e microfones, convertendo sinais elétricos em ondas sonoras ou vice-versa. Suas aplicações em dispositivos médicos incluem instrumentos médicos acionados por piezoelétricos, como microbombas e sistemas de entrega de medicamentos de precisão. Devido à sua alta constante piezoelétrica e boa estabilidade, o titanato de bário desempenha um papel importante na eletrônica moderna, nas comunicações, na medicina e na automação industrial.

Fig. 6 Capacitores cerâmicos multicamadas

3 Titanato de zirconato de chumbo (PZT)

O titanato de zirconato de chumbo (PZT) é um material cerâmico piezoelétrico muito importante e amplamente utilizado. A fórmula química é Pb(ZrₓTi₁₋ₓ)O₃, e a estrutura do PZT pode variar em diferentes proporções de Zr/Ti, incluindo a estrutura do tipo calcocita. O PZT passa por transições de fase (por exemplo, das fases tetragonal para cúbica) em diferentes temperaturas, e essas transições afetam suas propriedades piezoelétricas.

Em dispositivos ultrassônicos, o PZT é usado para fabricar transdutores para diagnósticos médicos de ultrassom, testes industriais não destrutivos e sistemas de sonar subaquático. O campo de sensores utiliza o efeito piezoelétrico do PZT para fabricar sensores de pressão e sensores de aceleração para aplicações em automação industrial, dispositivos médicos, sistemas de segurança automotiva e monitoramento sísmico.

Os atuadores piezoelétricos de PZT produzem deformações mecânicas sob a ação de um campo elétrico e são usados para posicionamento preciso, ajustes ópticos e controle de movimento fino em dispositivos de impressão e microscópios. Além disso, os materiais PZT são usados como filtros piezoelétricos e ressonadores em sistemas de comunicação sem fio para garantir a clareza do sinal e a qualidade da transmissão.

Na coleta de energia, o PZT converte a energia mecânica ou vibracional do ambiente em energia elétrica para alimentar redes de sensores sem fio e dispositivos vestíveis. O PZT também é usado para fabricar alto-falantes e microfones que convertem sinais elétricos em ondas sonoras ou vice-versa. Sua alta constante piezoelétrica e seu alto coeficiente de acoplamento eletromecânico fazem com que ele desempenhe um papel importante nas áreas de eletrônica moderna, comunicações, medicina e automação industrial.

Fig. 7 Folha de cerâmica piezoelétrica de titanato de zirconato de chumbo

4 Óxido de zinco (ZnO)

O óxido de zinco tem uma estrutura hexagonal de wurtzita, que é uma estrutura não centrossimétrica que lhe confere propriedades piezoelétricas. Os íons Zn²⁺ e ^O²- na estrutura hexagonal de wurtzita geram um momento de dipolo elétrico sob tensão, resultando em um efeito piezoelétrico. Esse material tem uma alta constante piezoelétrica e um bom coeficiente de acoplamento eletromecânico.

O óxido de zinco (ZnO), como cristal piezoelétrico, tem muitas aplicações em diversos campos devido à sua alta constante piezoelétrica, alta sensibilidade e boa estabilidade química. No campo dos sensores, o ZnO é usado para fabricar sensores de gás e sensores de pressão, que são amplamente usados em automação industrial e eletrônicos de consumo.

Em atuadores, o óxido de zinco é usado em atuadores de sistemas microeletromecânicos (MEMS) e dispositivos acústicos para posicionamento preciso e saída de áudio de alta fidelidade. As propriedades piezoelétricas do óxido de zinco também são usadas para coleta de energia, por meio de nanogeradores e coletores de energia piezoelétricos que convertem energia mecânica em energia elétrica para alimentar dispositivos de baixa potência.

Além disso, o óxido de zinco é usado como um material de eletrodo transparente em dispositivos optoeletrônicos, diodos emissores de luz (LEDs) e fotodetectores para melhorar a eficiência da conversão fotoelétrica. Os nanomateriais de óxido de zinco também são usados em biossensores para detectar atividades biomoleculares e celulares, que são amplamente usadas em diagnósticos médicos e pesquisas biológicas. Suas excelentes propriedades piezoelétricas, optoeletrônicas e químicas tornam o óxido de zinco valioso em aplicações modernas de eletrônica, comunicações, medicina e automação industrial.

Fig. 8 Varistores de óxido de zinco

5 Niobato de lítio (LiNbO₃)

O niobato de lítio (LiNbO₃) é um importante material de cristal piezoelétrico, amplamente utilizado em muitos campos de alta tecnologia devido às suas excelentes propriedades piezoelétricas, eletro-ópticas, ópticas não lineares e acústico-ópticas. O niobato de lítio tem um sistema de cristal tetragonal de estrutura calcogeneto, a simetria não central dessa estrutura lhe confere propriedades piezoelétricas e eletro-ópticas, e o deslocamento relativo dos íons de lítio e íons de nióbio na estrutura sob tensão produz o deslocamento dos centros de carga positiva e negativa.

O niobato de lítio tem altas constantes piezoelétricas e coeficientes de acoplamento eletromecânico, o que o torna excelente para muitas aplicações. Como um cristal piezoelétrico, o niobato de lítio (LiNbO₃) tem uma ampla gama de aplicações em vários campos devido às suas excelentes propriedades piezoelétricas, eletro-ópticas, acústico-ópticas e ópticas não lineares.

O niobato de lítio fabrica moduladores eletro-ópticos e dispositivos de guia de ondas em dispositivos ópticos, que são amplamente utilizados em comunicações ópticas e óptica integrada. Nos dispositivos acústico-ópticos, o niobato de lítio é usado em moduladores acústico-ópticos e linhas de atraso acústico-ópticas, que são usados para modular e processar feixes de luz e sinais de radiofrequência.

No campo dos sensores, os acelerômetros e os sensores de pressão de niobato de lítio são amplamente usados na indústria aeroespacial, em sistemas de segurança automotiva, no monitoramento sísmico e na automação industrial. Filtros piezoelétricos e ressonadores feitos de niobato de lítio são usados em sistemas de comunicação sem fio para selecionar e controlar frequências, garantindo a clareza do sinal e a qualidade da transmissão.

Em dispositivos a laser, as propriedades ópticas não lineares do niobato de lítio são usadas na fabricação de multiplicadores de frequência e osciladores paramétricos ópticos para permitir a modulação da frequência do laser e o ajuste do comprimento de onda. Além disso, o niobato de lítio tem aplicações importantes nos campos da medicina e da biotecnologia, como em dispositivos médicos de ultrassom e biossensores que fornecem imagens de ultrassom de alta precisão e detecção biomolecular.

Sua alta constante piezoelétrica, excelente efeito eletro-óptico e estabilidade química tornam o niobato de lítio valioso para aplicações modernas de eletrônica, comunicações, óptica, automação médica e industrial.

Fig. 9 Estrutura cristalina do niobato de lítio

6 Tantalato de lítio (LiTaO₃)

O tantalato de lítio (LiTaO₃) é um importante material de cristal piezoelétrico, amplamente utilizado em muitos campos de alta tecnologia devido às suas excelentes propriedades piezoelétricas, eletro-ópticas, acústico-ópticas e ópticas não lineares. O tantalato de lítio tem uma estrutura de calcita com um sistema de cristal tripartido, e essa estrutura não centrossimétrica lhe confere propriedades piezoelétricas, eletro-ópticas e ópticas não lineares. O tantalato de lítio tem uma alta constante piezoelétrica e coeficiente de acoplamento eletromecânico, o que pode efetivamente converter energia mecânica em energia elétrica ou vice-versa.

Como um cristal piezoelétrico, o tantalato de lítio (LiTaO₃) tem uma ampla gama de aplicações em vários campos devido às suas excelentes propriedades piezoelétricas, eletro-ópticas, acústico-ópticas e ópticas não lineares.

Em dispositivos ópticos, oLiTaO₃ é usado para fabricar moduladores eletro-ópticos e dispositivos de guia de ondas ópticas, que são amplamente usados em comunicações ópticas e óptica integrada. Em dispositivos acústico-ópticos, o tantalato de lítio é usado em moduladores acústico-ópticos e linhas de atraso acústico-ópticas, que são usados para modular e processar feixes de luz e sinais de radiofrequência.

Para aplicações de sensores, os acelerômetros e sensores de pressão baseados em tantalato de lítio são predominantes na indústria aeroespacial, nos sistemas de segurança automotiva, no monitoramento sísmico e na automação industrial. Seus filtros e ressonadores piezoelétricos são essenciais em sistemas de comunicação sem fio para selecionar e controlar frequências, garantindo assim a clareza do sinal e a qualidade da transmissão.

As propriedades ópticas não lineares do tantalato de lítio são cruciais em dispositivos a laser, especialmente na fabricação de multiplicadores de frequência e osciladores paramétricos ópticos. Esses dispositivos permitem a modulação da frequência do laser e o ajuste do comprimento de onda. Além disso, o tantalato de lítio tem uso significativo nos setores médico e de biotecnologia, como em dispositivos médicos de ultrassom e biossensores que oferecem imagens de ultrassom de alta precisão e detecção biomolecular.

Sua constante piezoelétrica robusta, efeito eletro-óptico superior e excelente estabilidade química tornam o tantalato de lítio indispensável para aplicações modernas de eletrônica, comunicações, óptica, medicina e automação industrial.

Fig. 10 Cristal de tantalato de lítio

7 Conclusão

Os cristais piezoelétricos têm a função de interconverter energia mecânica e elétrica devido à sua microestrutura especial. A descoberta e a aplicação de cristais piezoelétricos, como quartzo, niobato de lítio e tantalato de lítio, não só influenciaram profundamente a direção do progresso científico e tecnológico moderno, mas também demonstraram o grande potencial da ciência dos materiais na solução de problemas do mundo real.

Com a crescente demanda por novas propriedades de materiais, outras inovações na tecnologia de cristais piezoelétricos continuarão a ampliar os limites da tecnologia humana e a trazer mais inovação e progresso para a nossa sociedade. A Stanford Advanced Materials (SAM) está na vanguarda do fornecimento de materiais piezoelétricos de alta qualidade para atender a essas crescentes necessidades tecnológicas.

Referências:

[1] Nogueira A E F ,Campos B V R ,Nascimento D C P J , et al.Piezoelectric temperature acoustic sensor of LiNbO3 crystal fibers operating at radio frequencies[J].Journal of Crystal Growth,2024,643127799-127799.

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