圧電結晶に迫る
はじめに
圧電結晶は、機械的応力によって電荷分布の変化を誘導し、電界応答を発生させることができる結晶材料の一種である。この材料のユニークな特性は、多くの分野、特にセンサー技術やエネルギー変換において有用である。核となる特徴は、機械的応力や電界が加わると圧電結晶が変形したり電荷を再配分したりすることで、電気エネルギーと機械エネルギーの効率的な変換を可能にする。技術の進歩に伴い、圧電結晶の応用分野は拡大しています。スマート材料からエネルギー回収技術まで、その革新的な可能性は産業界に新たな機会とソリューションをもたらします。従って、圧電結晶の特性と用途を深く理解することは、現代技術の方向性を理解する上で不可欠です。
圧電結晶とは？
圧電性結晶は非心対称結晶です。機械的な力を受けると変形し、帯電したプラズマ点が相対的に変位します。その結果、結晶表面にプラスとマイナスの結合電荷が現れます。外力を取り除くと、結晶は帯電していない状態に戻る。この現象は圧電効果として知られている。
圧電結晶は両端に電位差を持つ極軸を持ち、圧電性として知られている。結晶に加えられた力によって生じる電荷の量は、外力の大きさに正比例する。逆に、結晶に電界を印加すると、結晶はある方向に機械的に変形し、印加した電界を引くと変形がなくなる。この現象を逆圧電効果といい、電歪効果ともいう。
圧電結晶としては、水晶（α-石英）がよく知られている。一般的な圧電結晶としては、閃亜鉛鉱、方解石、トルマリン、赤亜鉛鉱、GaAs、チタン酸バリウムとその派生構造結晶、KH2PO4、NaKC4H4O6・4H2O（ロゼット塩）、テーブルシュガーなどがある。
図1 天然水晶結晶
圧電結晶の結晶構造の特徴
圧電結晶は通常、非中心対称の結晶構造を持つ。石英(SiO₂)、チタン酸バリウム(BaTiO₃)、PZTセラミックス(チタン酸ジルコニウム鉛) などの一般的な圧電材料がこれに該当する。
非中心対称結晶構造では、電気双極子（電荷の中心）が互いに打ち消し合わないため、結晶全体が正味の電気双極子モーメントを示す。圧電結晶内部の電気双極子（正負の電荷中心からなる）は、自然状態では通常ランダムに分布しており、巨視的な分極を示さない。分極処理（キュリー温度以上に加熱し、強電界を印加した後、冷却する）により、印加電界の存在下で電気双極子を再配列させ、電界の方向に整列させることができる。
図2 石英（SiO2）の結晶構造
圧電現象の原理
圧電結晶に機械的応力が加わると（例えば圧縮や伸張）、結晶内部の電気双極子の小さな変位が電荷中心の再分布をもたらし、結晶表面に電荷が発生する。この電荷分布によって電位差が生じ、これを測定して圧電電圧として表すことができます。この圧力による電荷の発生過程が正の圧電効果である。
従って、圧電結晶に電界を加えると、結晶内部の電気双極子が電界に応じて再配列または回転し、結晶の機械的変形が生じます。この変形は、圧電アクチュエーターのような機械的な動きを駆動することができる。この現象は逆圧電効果と呼ばれる。
図3 圧電効果
圧電効果は、主に電気双極子の再配列と応力と電界の結合によって生じる。電気双極子の再配列は、圧電体の結晶構造が電気双極子を自由に回転させるキュリー温度以上で主に起こる。電界が印加されると、電気双極子は電界の方向に沿って整列する。冷却すると、電気双極子の配列方向は固定され、材料は巨視的な分極を示すようになる。応力と電場の結合効果は、機械的応力が加わると結晶構造がわずかに変化し、電気双極子の相対位置が変化して電荷中心が再分布され電荷が発生すること、電場が加わると電気双極子の再配列によって結晶構造が変形し機械的ひずみが発生することに現れる。
圧電結晶の分極
分極とは？
圧電結晶の分極とは、強い電界を印加することによって、圧電材料中の電気双極子を特定の方向に配列させることです。このプロセスにより、材料は圧電効果を獲得し、圧電特性を最大化することができます。
図4 セラミックの分極
分極処理のステップ
1.材料の準備：圧電材料（チタン酸バリウム、PZTセラミックスなど）を所望の形状とサイズに調製する。
2.加熱：材料をキュリー温度以上に加熱する。キュリー温度とは、材料が強誘電相からシス電気相に変化する温度である。この温度では、材料内の電気双極子はランダムに配向した状態にある。
3.印加電界：強い電界（通常、1ミリあたり数千ボルト）を高温の物質にかける。この電界によって、材料内部の電気双極子が再配列し、電界の方向に整列する。
4.冷却：電場を維持したまま、材料をキュリー温度以下に冷却する。冷却の間、電気双極子は電界の方向に整列したままであり、その結果、材料は永久的に分極した状態になる。
5.電場の除去：材料が室温まで冷却された後、外部電界を取り除くことができ、その時点で材料は永久的な圧電特性を獲得する。
分極加工の原理
材料がキュリー温度以上になると、圧電材料はシス相になり、電気双極子が自由に回転して再配列します。この時、電界を強化することで、電気双極子が電界の配列方向に沿うようになり、統一された偏光方向が形成されます。所望の偏光方向に達した後、温度を下げて冷却する。冷却により双極子の配列が固定され、外部電界がない状態でも分極が維持される。
偏光処理の重要性
分極処理は圧電材料の性能にとって非常に重要です。分極されていない材料は大きな圧電効果を示しませんが、分極された材料の圧電特性（圧電係数など）は大幅に改善され、機械的・電気的エネルギーを効率的に変換できるようになります。センサ、アクチュエータ、電子部品などの用途において、圧電材料がその優れた性能を発揮できるのは分極によるものです。
一般的な圧電材料とその用途
1.石英
石英は、その安定性と多くの分野での高性能から、広く使用されている天然圧電結晶です。その化学組成は二酸化ケイ素（SiO2）の六方晶系で、外観は一般的な無色透明の結晶です。熱膨張係数が低く（通常の水晶の熱膨張係数は約0.5*10^-6/℃）、品質係数も高い（水晶の品質係数は約115*1000）ため、圧電係数が比較的低くても高周波発振器やフィルターとして優れている。水晶は化学的、機械的安定性に優れ、広い温度範囲で圧電特性を維持します。
水晶は通常、天然採掘品と合成品の両方があります。天然鉱物である水晶は、比較的入手が容易で安価である。合成石英は、高純度や特定のサイズ要件を満たすためにしばしば使用することができます。水晶の切断と加工は、用途に最適な性能を確保するために精密に制御することができます。ATカットやBTカットなど、異なる切断方向が水晶の圧電特性に影響を与えます。
水晶振動子は、正確な時刻基準を提供するために、水晶時計、コンピュータ、携帯電話などの電子機器に使用されています。水晶振動子で作られたフィルタは、信号伝送の品質と安定性を保証するために無線通信機器に使用することができます。水晶振動子は、圧力センサー、加速度計、マイクロフォンにも使用され、産業オートメーション、航空宇宙、オーディオ機器など幅広い分野で、機械的振動を電気信号に変換しています。
表面弾性波（SAW）デバイスにおける水晶の用途には、信号処理や環境モニタリング用のSAWフィルターやSAWセンサーが含まれます。光学機器では、水晶振動子は、光変調器、プリズム、レンズの製造に使用される。超音波機器では、水晶振動子超音波トランスデューサが医療診断や工業検査に使用されている。計測・試験機器の分野では、水晶振動子は周波数計や信号発生器の標準周波数源として使用されています。水晶は、その高い安定性、高精度、低コストにより、現代の技術と産業において不可欠な地位を占めている。
図5 水晶フィルター
2 チタン酸バリウム
チタン酸バリウム（BaTiO3）は、通常無色または白色の結晶で、カルコゲナイド構造（正方晶、立方晶、六方晶など、温度によって結晶相が異なる）を持つ。チタン酸バリウムの圧電特性は、温度変化によるカルコゲナイド構造の結晶相転移と対称性の破れに由来する。チタン酸バリウムは広い温度範囲で圧電特性を維持するため、さまざまな環境条件での使用に適しています。
チタン酸バリウムの高い圧電定数（d31は約-80 x 10^-12 C/N、d33は約190 x 10^-12 C/N）は、多くの用途で優れた性能を発揮します。チタン酸バリウムの高い誘電率は、コンデンサ用途に高い静電容量を与えます。室温での自然誘電率は約1200です。
電子機器では、チタン酸バリウムは、高容量で小型の積層セラミックコンデンサ（MLCC）の製造に使用され、スマートフォン、コンピュータ、家電製品に広く使用されています。センサーの分野では、チタン酸バリウムは圧力センサーや加速度センサーの製造に使用され、産業オートメーション、医療機器、カーエレクトロニクスに使用されている。
チタン酸バリウムは圧電アクチュエータの製造にも使用され、電圧下で機械的変形を生じ、精密位置決めシステム、微小電気機械システム（MEMS）、光学アライメントに使用される。超音波トランスデューサもチタン酸バリウムの重要な用途の一つで、医療用超音波診断、工業用非破壊検査、超音波洗浄装置などに広く使用されている。
また、チタン酸バリウムは、信号の明瞭性と伝送品質を確保するために、無線通信システムの圧電フィルタや共振器にも使用されています。さらに、チタン酸バリウムの圧電特性は、環境からの機械的振動または運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、低電力デバイスに電力を供給する圧電エネルギーハーベスティングデバイスの開発に使用されています。
チタン酸バリウムはまた、スピーカーやマイクなどの電気音響変換器にも応用され、電気信号を音波に変換したり、逆に音波を音波に変換したりします。医療機器への応用としては、マイクロポンプや精密薬物送達システムなどの圧電駆動医療機器がある。チタン酸バリウムは、その高い圧電定数と優れた安定性から、現代のエレクトロニクス、通信、医療、産業オートメーションにおいて重要な役割を果たしている。
図6 積層セラミック・コンデンサ
3 チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）
チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）は、非常に重要で広く使用されている圧電セラミック材料です。化学式はPb(ZrₓTi₁₋ₓ)O₃で、PZTの構造はZr/Ti比の違いで変化し、カルコサイト型構造を含む。PZTは異なる温度で相転移（正方晶から立方晶への相転移など）を起こし、これらの相転移は圧電特性に影響を与えます。
超音波デバイスでは、PZTは医療用超音波診断、工業用非破壊検査、水中ソナーシステム用のトランスデューサの製造に使用されている。センサー分野では、PZTの圧電効果を利用して、産業オートメーション、医療機器、自動車安全システム、地震モニタリングなどの用途に使用される圧力センサーや加速度センサーを製造しています。
PZT圧電アクチュエータは、電界の作用により機械的変形を生じ、印刷装置や顕微鏡の精密位置決め、光学調整、微動制御に使用される。さらに、PZT材料は、無線通信システムの圧電フィルタや共振器として使用され、信号の明瞭性と伝送品質を確保しています。
エネルギーハーベスティングでは、PZTは機械的エネルギーや環境中の振動エネルギーを電気エネルギーに変換し、ワイヤレスセンサーネットワークやウェアラブルデバイスに供給します。PZTはまた、電気信号を音波に変換するスピーカーやマイクロフォンの製造にも使用される。高い圧電定数と高い電気機械結合係数を持つPZTは、現代のエレクトロニクス、通信、医療、産業オートメーションの分野で重要な役割を果たしている。
図7 チタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミックシート
4 酸化亜鉛（ZnO）
酸化亜鉛は六方晶系ウルツ鉱構造を有し、これは圧電特性を与える非中心対称構造です。六方晶系ウルツ鉱構造の Zn²⁺ イオンとO ²-イオンは、応力下で電気双極子モーメントを発生させ、圧電効果をもたらします。この材料は高い圧電定数と良好な電気機械結合係数を持つ。
圧電結晶としての酸化亜鉛(ZnO)は、その高い圧電定数、高感度、良好な化学的安定性により、様々な分野で応用されています。センサーの分野では、酸化亜鉛はガスセンサーや圧力センサーの製造に使用され、産業オートメーションや家電製品に広く使用されています。
アクチュエーターの分野では、酸化亜鉛は精密位置決めや高忠実度オーディオ出力のための微小電気機械システム（MEMS）アクチュエーターや音響デバイスに使用されています。酸化亜鉛の圧電特性は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換し、低電力デバイスに電力を供給するナノジェネレータや圧電エネルギーハーベスタなどのエネルギーハーベスティングにも利用されています。
さらに、酸化亜鉛は、光電変換効率を向上させるために、オプトエレクトロニクスデバイス、発光ダイオード（LED）、光検出器の透明電極材料として使用されています。酸化亜鉛ナノ材料は、生体分子や細胞活動を検出するバイオセンサーにも使用され、医療診断や生物学的研究に広く用いられている。その優れた圧電特性、光電子特性、化学特性により、酸化亜鉛は現代のエレクトロニクス、通信、医療、産業オートメーション用途で重宝されている。
図 8 酸化亜鉛バリスタ
5 ニオブ酸リチウム (LiNbO₃)
ニオブ酸リチウム（LiNbO₃）は重要な圧電結晶材料であり、その優れた圧電特性、電気光学特性、非線形光学特性、音響光学特性により、多くのハイテク分野で広く使用されている。ニオブ酸リチウムはカルコゲナイド構造の正方晶系で、この構造の非中心対称性が圧電特性と電気光学特性を与え、応力下で格子中のリチウムイオンとニオブイオンの相対的な変位が正負の電荷中心の移動を生じさせる。
ニオブ酸リチウムは高い圧電定数と電気機械結合係数を持ち、多くの用途に優れている。圧電結晶であるニオブ酸リチウム（LiNbO₃）は、その優れた圧電特性、電気光学特性、音響光学特性、非線形光学特性により、さまざまな分野で幅広い用途があります。
ニオブ酸リチウムは、光デバイスの電気光学変調器や導波路デバイスを作製し、光通信や集積光学で広く使用されている。音響光学デバイスでは、ニオブ酸リチウムは音響光学変調器や音響光学遅延線に使用され、光ビームや無線周波数信号の変調や処理に使用されます。
センサーの分野では、ニオブ酸リチウム加速度計、圧力センサーは、航空宇宙、自動車安全システム、地震モニタリング、産業オートメーションで広く使用されています。ニオブ酸リチウム製の圧電フィルタと共振器は、無線通信システムで周波数の選択と制御に使用され、信号の明瞭さと伝送品質を保証します。
レーザー装置では、ニオブ酸リチウムの非線形光学特性が周波数逓倍器や光パラメトリック発振器の製造に利用され、レーザー周波数の変調や波長の調整が可能です。さらに、ニオブ酸リチウムは、高精度の超音波イメージングや生体分子の検出を行う医療用超音波装置やバイオセンサーなど、医療やバイオテクノロジーの分野でも重要な用途があります。
その高い圧電定数、優れた電気光学効果、化学的安定性により、ニオブ酸リチウムは現代のエレクトロニクス、通信、光学、医療、工業オートメーションなどの用途で重宝されている。
図9 ニオブ酸リチウムの結晶構造
6 タンタル酸リチウム(LiTaO₃)
タンタル酸リチウム（LiTaO₃）は重要な圧電結晶材料であり、優れた圧電特性、電気光学特性、音響光学特性、非線形光学特性を持つため、多くのハイテク分野で広く使用されている。タンタル酸リチウムは方解石構造を持ち、3回晶系で、この非中心対称構造が圧電特性、電気光学特性、非線形光学特性を与える。タンタル酸リチウムは、高い圧電定数と電気機械結合係数を持ち、機械エネルギーを電気エネルギーに効果的に変換することができます。
圧電結晶であるタンタル酸リチウム（LiTaO₃）は、その優れた圧電特性、電気光学特性、音響光学特性、非線形光学特性により、様々な分野で幅広く応用されています。
光デバイスでは、LiTaO ₃は電気光学変調器や光導波路デバイスの製造に使用され、光通信や集積光学で広く使用されている。音響光学デバイスでは、タンタル酸リチウムは音響光学変調器や音響光学遅延線に使用され、光ビームや無線周波数信号の変調や処理に使用されます。
センサー用途では、タンタル酸リチウムベースの加速度センサーや圧力センサーが、航空宇宙、自動車安全システム、地震モニタリング、産業オートメーションで普及しています。その圧電フィルタと共振器は、無線通信システムにおいて、周波数を選択・制御し、信号の明瞭性と伝送品質を確保するために不可欠です。
タンタル酸リチウムの非線形光学特性は、レーザー・デバイス、特に周波数逓倍器や光パラメトリック発振器の製造において極めて重要である。これらのデバイスは、レーザー周波数の変調と波長の調整を可能にする。さらに、タンタル酸リチウムは、高精度の超音波イメージングや生体分子の検出を行う医療用超音波装置やバイオセンサーなど、医療やバイオテクノロジーの分野で重要な用途を見出しています。
その強固な圧電定数、優れた電気光学効果、優れた化学的安定性により、タンタル酸リチウムは現代のエレクトロニクス、通信、光学、医療、産業オートメーション用途に欠かせないものとなっている。
図10 タンタル酸リチウム結晶
7 まとめ
圧電結晶は、その特殊な微細構造により、機械的エネルギーと電気的エネルギーを相互変換する機能を持つ。石英、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムなどの圧電結晶の発見と応用は、現代の科学技術の進歩の方向性に大きな影響を与えただけでなく、現実の問題を解決する材料科学の大きな可能性を実証しました。
新しい材料特性への要求が高まる中、圧電結晶技術のさらなる革新は、人類の技術の限界を押し広げ、私たちの社会にさらなる革新と進歩をもたらすことでしょう。スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ(SAM)は、このような技術的ニーズの高まりに応えるため、高品質の圧電材料を提供する最前線にいます。
参考文献
[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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