Piezoelektrik

Piezoelektrik özelliği, (özellikle kristaller ve belirli kristaller; kemik gibi) bazı malzemelere uygulanan mekanik basınç sonucunda, malzemenin elektrik alan ya da elektrik potansiyel değiştirme yeteneğidir. Bu etki, malzemenin içindeki polarizasyon yoğunluğundaki değişmeyle doğrudan alakalıdır. Eğer malzeme kısa devre değilse, uygulanan stress malzemede bir voltaj meydana getirir. Piezo kelimesi, Yunanca’dan türetilmiştir; “sıkıştırmak, basınç uygulamak” anlamlarına gelmektedir. Piezoelektrik malzemeler terslenebilirdir; yani “direk piezoelektrik etki” sergileyen (stress uygulandığında elektrik potansiyel üreten) malzemeler, ters piezoelektirk etki (uygulanan elektrik alan sonucunda stress-strain üretimi) de gösterirler. Örneğin, kurşun zirkonat titanat kristalleri, orijinal boyutundan %0,1 oranına kadar şekil değiştirebilirler. Bu etkinin “sesin oluşturulması ve algılanması”, “yüksek voltajlar oluşturulması”, “elektronik frekans yaratılması”, “mikrobalans”, ve "optik çevrimcilerin aşırı ince odaklanması” gibi kullanışlı uygulamaları vardır. Aynı zamanda atomik çözünme sonucunda bilimsel birçok tekniğin (taramalı prop mikroskoplar olan STM, AFM, MTA, SNOM gibi) temelini oluşturmakla birlikte, günlük kullanımda ateşleyici olarak çakmaklarda ve barbekülerde kullanılmaktadır.

Keşif ve ilk araştırmalar

Malzemenin sıcaklık değişimine karşı elektrik potansiyel oluşturması özelliği olan “Pyroelektrik etki” 18. yy ortalarında Cark Linnaeus ve Franz Aepinus tarafından çalışılmıştır. Bu çalışmaların üzerine “René Just Haüy” ve “Antoine César Becquerel”  mekanik stress ve elektrik yük arasında bir ilişki olduğunu öne sürdüler ama her ikisinin çalışması da bir neticeye varamadı. Direk piezoelektrik etkinin ilk ispatı Pierre Curie ve Jacques Curie kardeşler tarafından 1880 yılında yapılmıştır. Pyroelektrik özellik üzerine bildiklerini, kristal yapısının altında yatan kristalin davranışını tahmin etmede pyroelektik özelliğin artması yaklaşımıyla birleştirdiler ve tourmaline, quartz, topaz, cane sugar, Rochelle salt (sodium potassium tartrate tetrahydrate) kristallerini kullanarak etkiyi ispatladılar. En çok piezoelektrik özelliği, Quartz ve Rochelle tuzu sergilediler. Resim [1] . Ancak Curie kardeşler, ters piezoelektrik etki üzerinde düşünmediler. Ters etki, temel termodinamik prensiplerden yola çıkılarak Gabriel Lippmann tarafından matematiksel olarak gösterilmiştir. Bunun üzerine ters etkinin varlığını teyit eden Curie kardeşler,  piezoelektrik kristallerde elektro-elasto-mekanik deformasyonlarının terslenebilirliğinin ölçülebilir ispatını gözlemlemekle yollarına devam ettiler. Bundan sonraki birkaç on yıl için piezoelektrik özellik bir laboratuvar merakı oldu. Piezoelektirk özellik sergileyen kristal yapılarını keşfetmek için daha birçok çalışma yapıldı. Bu, tensor analizi kullanarak ayrıntılı bir şekilde piezoelektrik sabitleri ve piezoelektrik özellik gösteren 20 doğal kristal sınıfının tanımlandığı Woldemar Voigt'ın Lehrbuch der Kristallphysik (textbook on crystal physics) çalışmasının 1910 yılında yayımlanmasıyla sonuçlanmıştır.

I. Dünya Savaşı ve sonrası

Piezoelektrik aletlerde ilk pratik uygulama I. Dünya Savaşı sırasında kullanılan “sonar”lardır.  1917’de Fransa’da Paul Langevin ve beraberinde çalışanlar “ultrasonic submarine dedektör” ürettiler. Dedektör, iki çelik plaka arasına film quartzların yapıştırılmasıyla oluşturulan transducer (dönüştürücü) ve çevirilen echo’nun algılanmasında kullanılan hydrophone’lardan meydana gelir. Dönüştürücüden yüksek frekanslı chirp (sinyal) yayılmasıyla ve nesneden yansıyan ses dalgasından yayılan echonun duyulması için geçen zamanın ölçülmesiyle bu nesneye uzaklık ölçülebilir.
Sonarlarada piezoelektirik kullanımı ve bu projenin başarısı piezoelektrik aletler üzerindeki ilginin gelişmesine neden olmuştur. Bundan sonraki on yıllar boyunca yeni piezoelektrik malzemeler ve bu malzemelerin yeni uygulamaları keşfedildi ve geliştirildi.Piezoelektrik malzemeler evlerde birçok alanda kullanılır. Ucuz ve hassas seramik fonograf (gramofon) kasetleri yürütücü dizaynını kolaylaştırdı ve kayıt çalarların ucuz olmasını ve yapımının kolaylaşmasını sağladı. Ultrasonic dönüştürücüler katı ve sıvılarda viskozite ve elastisite ölçümünün kolaylaştırılmasına ve sonuç olarak malzeme araştırmasında büyük gelişmelerin oluşmasına neden olmuştur. Ultrasonik zaman tabanlı reflektometreler (bunlar, malzemelere ultrasonik vurular göndererek malzemenin süreksizliğinden gelen yansımaları ölçer) metal ve kaya nesnelerin  içindeki kusurları bulur, bu da yapının güçlenmesine neden olur.

II. Dünya Savaşı ve sonrası

II. Dünya Savaşı boyunca, Birleşik Devletler, Rusya ve Japonyadaki bağımsız araştırma grupları doğal malzemelerden daha büyük piezoelektrik sabitlere sahip olan yeni bir, insan yapımı malzeme sınıfı keşfettiler (ferroelektrikler). Bu gelişme “baryum titanat” ve “kurşun zirkonat titanat” malzemelerinin ve bunların kendilerine has özellikleri ve özel uygullamalarının geliştirilmesinde araştırmaları güçlendirdi. Piezoelektrik kristallerin bir özel örneği de Bell Telefon Laboratuvar’larında geliştirilmiştir. I. Dünya Savaşını takiben, mühendislik bölümünde radyo telefonu alanında çalışan Mr. Frederick R. Lack, önceden kullanılan ağır donanımın yardımı olmadan geniş sıcaklık aralıklarında çalıştırılan “AT cut” kristallerini geliştirdi. Bu gelişmeler, cihazın uçaklarda kullanılabilmesini sağlamıştır. Bu gelişme Müttefik hava kuvvetlerinin, havacılık radyosunu kullanarak koordine toplu saldırılarla çatışmasına izin verdi.