Piezoelektrizität

Die Piezoelektrizität 

Aus dem Griechischen piézein drücken, pressen.

Es handelt sich um die Eigenschaft bestimmter Körper, sich unter Einwirkung einer mechanischen Belastung elektrisch zu polarisieren und umgekehrt sich zu verformen, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird.
Die beiden Effekte sind untrennbar miteinander verbunden. Der erste wird als direkter piezoelektrischer Effekt bezeichnet; der zweite als umgekehrter piezoelektrischer Effekt.
Diese Eigenschaft findet eine sehr große Anzahl von Anwendungen in Industrie und Alltag. 
Eine der bekanntesten Anwendungen ist der Gasanzünder. Bei einem Gasanzünder erzeugt der ausgeübte Druck eine elektrische Spannung, die sich plötzlich in Form von Funken entlädt: dies ist eine Anwendung des direkten Effekts.
Allgemeiner kann der direkte Effekt bei der Herstellung von Sensoren (Drucksensor usw.) genutzt werden, während der umgekehrte Effekt die Herstellung von Aktuatoren ermöglicht (piezoelektrisch gesteuerte Einspritzdüsen im Automobil, Nanomanipulator…).
Die piezoelektrischen Materialien sind sehr zahlreich. Das bekannteste ist wohl der Quarz, der heute noch in Uhren zur Erzeugung von Taktimpulsen verwendet wird. Am weitesten verbreitet in der Industrie sind jedoch synthetische Keramiken, die PZT.

Die erste Demonstration des direkten piezoelektrischen Effekts geht auf Pierre und Jacques Curie im Jahr 1880 zurück. Sie kombinierten ihr Wissen über Pyroelektrizität und Kristallstruktur, sagten die Existenz der Piezoelektrizität bei Quarz-, Turmalin-, Topas-, Zucker- und Rochelle-Salz-Kristallen voraus und überprüften sie. Die Existenz des umgekehrten Effekts wurde im folgenden Jahr von Gabriel Lippman auf der Grundlage thermodynamischer Berechnungen vorhergesagt und sofort von den Curie-Brüdern bestätigt. Ebenfalls 1881 schlug Hermann Hankel die Verwendung des Begriffs Piezoelektrizität aus dem Griechischen „piézein“ für drücken, pressen vor.
Die Piezoelektrizität blieb etwa dreißig Jahre lang eine Labor-Kuriosität; sie führte vor allem zu theoretischen Arbeiten über Kristallstrukturen mit dieser Eigenschaft. Diese Arbeiten mündeten 1910 in der Veröffentlichung des Lehrbuchs der Kristallphysik von Woldemar Voigt, das die zwanzig piezoelektrischen Kristallklassen angibt und die piezoelektrischen Konstanten im Formalismus der Tensoranalyse streng definiert.
 Aus praktischer Sicht wurde die Piezoelektrizität zunächst nur zur Herstellung einiger Laborinstrumente genutzt.

Erste Anwendungen:

Die erste Anwendung der Piezoelektrizität war das von Paul Langevin und seinen Mitarbeitern während des Ersten Weltkriegs entwickelte Sonar. Dieses Sonar bestand aus Quarzplatten, die zwischen zwei Stahlplatten geklebt waren, und einem Hydrofon und ermöglichte durch Messung der Zeit zwischen Aussendung einer Schallwelle und Empfang ihres Echos die Berechnung der Entfernung zum Objekt. Kurz darauf, Anfang der 1920er Jahre, wurde der erste Quarzoszillator von Walter Cady entwickelt, was den Weg zur Frequenzkontrolle ebnete.
Der Erfolg dieser Projekte weckte großes Interesse an der Piezoelektrizität, belebte die Forschung neu und führte in den folgenden Jahren zur Entwicklung neuer Geräte für ein breites Spektrum von Anwendungen im Alltag, in der Industrie und in der Forschung. Die Verbesserung des Phonographen oder die Entwicklung des Reflektometers und des akustischen Wandler, der häufig für Härte- oder Viskositätsmessungen verwendet wird, sind Beispiele dafür.
In dieser Zeit waren die Hauptmaterialien Quarz, Seignettesalz und Kaliumdihydrogenphosphat KH2PO4. Obwohl diese Materialien verwendet werden konnten, hatten sie Nachteile, die sowohl die möglichen Anwendungen als auch die Entwicklung von Theorien der Piezoelektrizität einschränkten.

Entdeckung der ferroelektrischen Oxide

Während des Zweiten Weltkriegs führte die Suche nach leistungsfähigeren dielektrischen Materialien dazu, dass verschiedene Forschergruppen in Japan, den USA und Russland die piezoelektrischen Eigenschaften von synthetischen Keramiken mit Perowskitstruktur entdeckten: Bariumtitanat (BaTiO3) und etwas später Bleititanat-Zirkonat (PbZrxTi1-xO3, abgekürzt PZT). Die Entwicklung dieser Materialien stellt einen entscheidenden Schritt in der Entwicklung piezoelektrischer Geräte dar. Ihre Eigenschaften sind insgesamt deutlich besser; sie besitzen piezoelektrische Koeffizienten, die etwa 100-mal höher sind als die natürlicher Kristalle. Vor allem aber ist es mit diesen synthetischen Keramiken möglich, verschiedene Syntheseparameter zu variieren und so die Materialeigenschaften für eine bestimmte Anwendung anzupassen. Insbesondere ermöglicht die Dotierung mit verschiedenen Metallionen eine erhebliche Veränderung ihrer dielektrischen Konstante, Härte, Bearbeitbarkeit usw.
Aus theoretischer Sicht sind diese Materialien auch die ersten einfachen Ferroelektrika, die die Entwicklung und Validierung mikroskopischer Modelle ermöglichen. 
Ein weiterer Fortschritt wurde Anfang der 1980er Jahre mit der Synthese der PZN-PT- und PMN-PT-Kristalle erzielt, die die bisher höchsten bekannten piezoelektrischen Koeffizienten aufweisen.

Monokristalle

Ein Monokristall ist eine regelmäßige und periodische Anordnung von Atomen. In dieser Form liegen natürliche piezoelektrische Materialien wie Quarz oder Turmalin vor, und auch in der ersten Generation von Anwendungen wurden sie in dieser Form verwendet, bevor Keramiken entwickelt wurden.
Ferroelektrische Kristalle können eine Domänenstruktur besitzen. Man unterscheidet dann Monokristalle mit einer Domäne und polydomänige Kristalle, je nachdem, ob eine oder mehrere Polarisationsrichtungen im Kristall koexistieren. In einer kristallographischen Beschreibung sind polydomänige Kristalle streng genommen keine Monokristalle, sondern Zwillingskristalle; dennoch wird weiterhin von Monokristallen gesprochen.
Die bisher höchsten bekannten piezoelektrischen Koeffizienten werden für polydomänige Monokristalle erzielt. In der Praxis haben sie jedoch Nachteile, die ihre Verwendung in vielen Geräten einschränken: Kosten, Verfügbarkeit.