圧電材料の一覧

このページでは、一般的に使用されるいくつかの圧電材料の特性をリストします。

圧電材料（PM）は、結晶性、セラミックス、ポリマーに大別できます。[1] 最も一般的に製造されている圧電セラミックスは、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）、チタン酸バリウム、チタン酸鉛です。窒化ガリウムと酸化亜鉛も、バンドギャップが比較的広いためセラミックとみなすことができます。半導体PMは、集積回路や半導体デバイスとの互換性などの機能を提供します。無機セラミックPMは、結晶方向に制約されずにさまざまな形状やサイズに製造しやすいなど、単結晶に比べて利点があります。PVDFなどの有機ポリマーPMは、無機PMに比べてヤング率が低くなっています。圧電ポリマー（PVDF、240 mV-m/N）は、センサーの重要なパラメーターである圧電応力定数（g 33）がセラミックス（PZT、11 mV-m/N）よりも高く、セラミックスよりも優れたセンサーになり得ることを示しています。さらに、圧電ポリマーセンサーおよびアクチュエータは、加工の柔軟性が高いため、大面積での生産や様々な形状への切断が容易です。さらに、ポリマーは高強度、高耐衝撃性、低誘電率、低弾性剛性、低密度といった特性も備えているため、高い電圧感度という望ましい特性に加え、低い音響インピーダンスおよび機械インピーダンスも備えており、医療用途や水中用途に適しています。

PM の中でも、PZTセラミックは感度が高く、g 33値も高いため人気があります。しかし、脆く、キュリー温度も低いため、厳しい環境条件での用途には制約があります。しかし、プラスチック成形の産業機器にセラミックディスクを組み込むことは有望です。これにより PZT ポリマー複合材料が開発され、単純な熱溶接やコンフォーミングプロセスによって、機能性 PM 複合材料を大規模に統合することが可能になりました。鉛フリーセラミック PM に向けて、圧電単結晶（ランガサイト）、ペロブスカイト構造の強誘電体セラミック、ビスマス層状構造強誘電体（BLSF）など、いくつかのアプローチが報告されており、広く研究されています。また、ペロブスカイト構造を持ついくつかの強誘電体(BaTiO 3 [BT]、(Bi 1/2 Na 1/2 ) TiO 3 [BNT]、(Bi 1/2 K 1/2 ) TiO 3 [BKT]、KNbO 3 [KN]、(K, Na) NbO 3 [KNN]) の圧電特性が研究されています。

主要な圧電特性

次の表は圧電材料の以下の特性を示している。

  • 圧電係数（d 33、d 31、d 15など）は、印加電圧によって誘起されるひずみ（メートル/ボルトで表されます）を測定します。高いd ij係数は、モータ駆動型トランスデューサデバイスに必要な大きな変位を示します。係数d 33は、誘起電位と同じ方向（分極軸）の変形を測定し、d 31 は、分極軸に垂直に力が加えられた場合の応答を表します。係数d 15は、加えられた機械的応力がせん断変形によるものである場合の応答を測定します。
  • 相対誘電率（ε r ）は、圧電材料の絶対誘電率εと真空誘電率ε 0の比です。
  • 電気機械結合係数kは、圧電材料が電気エネルギーを機械エネルギーに変換する効率、または機械エネルギーを電気エネルギーに変換する効率を示す指標です。kの最初の添え字は電極が適用される方向を示し、2番目の添え字は機械エネルギーが適用される、または発生する方向を示します。
  • 機械的品質係数 Q mは、圧電セラミックスの重要な高出力特性です。これは、機械損失tan Φ の逆数です。

テーブル

単結晶
参照 特性評価に使用された材料とヘテロ構造（電極/材料、電極/基板） オリエンテーション 圧電係数、d（pC/N） 比誘電率、ε r 電気機械結合係数、k 品質係数
ハットソン 1963 [2] 窒化アルミニウム d 15 = -4.07パーセント ε 33 = 11.4
d 31 = -2
d 33 = 5
クックら 1963 [3] BaTiO 3 d 15 = 392 ε 11 = 2920 k 15 = 0.57
d 31 = -34.5 ε 33 = 168 k 31 = 0.315
d 33 = 85.6 k 33 = 0.56
ワーナーら 1967 [4] LiNbO 3 (Au-Au) <001> d 15 = 68 ε 11 = 84
d 22 = 21 ε 33 = 30
d 31 = -1 k 31 = 0.02
d 33 = 6 k t = 0.17
スミスら 1971 [5] ニオブ酸リチウム <001> d 15 = 69.2 ε 11 = 85.2
d 22 = 20.8 ε 33 = 28.2
d 31 = -0.85
d 33 = 6
山田ら 1967 [6] LiNbO 3 (Au-Au) <001> d 15 = 74 ε 11 = 84.6
d 22 = 21 ε 33 = 28.6 k 22 = 0.32
d 31 = -0.87 k 31 = 0.023
d 33 = 16 k 33 = 0.47
山田ら 1969 [7] リタオ3 d 15 = 26 ε 11 = 53
d 22 = 8.5 ε 33 = 44
d 31 = -3
d 33 = 9.2
曹ら 2002 [8] PMN-PT（33％） d 15 = 146 ε 11 = 1660 k 15 = 0.32
d 31 = -1330 ε 33 = 8200 k 31 = 0.59
d 33 = 2820 k 33 = 0.94
k t = 0.64
Badel et al. 2006 [9] PMN-25PT <110> d 31 = -643 ε 33 = 2560 k 31 = -0.73 362
コビアコフ 1980 [10] 酸化亜鉛 d 15 = -8.3 ε 11 = 8.67 k 15 = 0.199
d 31 = -5.12 ε 33 = 11.26 k 31 = 0.181
d 33 = 12.3 k 33 = 0.466
ズゴニクら 1994 [11] ZnO（リチウムドーパントを含む純粋） d 15 = -13.3 k r = 8.2
d 31 = -4.67
d 33 = 12.0
ズゴニクら 1994 [12] BaTiO 3単結晶 [001] (単一ドメイン) d 33 = 90
ズゴニクら 1994 [12] BaTiO 3単結晶 [111] （単一ドメイン） d 33 = 224
ズゴニクら 1994 [12] BaTiO 3単結晶 [111] 中性（ドメインサイズ100 µm） d 33 = 235 ε 33 = 1984 k 33 = 54.4
ズゴニクら 1994 [12] BaTiO 3単結晶 [111] 中性（ドメインサイズ60 µm） d 33 = 241 ε 33 = 1959 k 33 = 55.9
ズゴニクら 1994 [12] BaTiO 3単結晶 [111] （ドメインサイズ22 µm） d 33 = 256 ε 33 = 2008 k 33 = 64.7
ズゴニクら 1994 [12] BaTiO 3単結晶 [111] 中性（ドメインサイズ15 µm） d 33 = 274 ε 33 = 2853 k 33 = 66.1
ズゴニクら 1994 [12] BaTiO 3単結晶 [111] 中性（ドメインサイズ14 µm） d 33 = 289 ε 33 = 1962 k 33 = 66.7
ズゴニクら 1994 [12] BaTiO 3単結晶 [111] 中立 d 33 = 331 ε 33 = 2679 k 33 = 65.2
[13] LN結晶 d 31 = -4.5

d 33 = -0.27

李ら 2010 [14] PMNT31 d 33 = 2000 ε 33 = 5100 k 31 = 80
d 31 = -750
張ら 2002 [15] PMNT31-A 1400 ε 33 = 3600
張ら 2002 [15] PMNT31-B 1500 ε 33 = 4800
張ら 2002 [15] PZNT4.5 d 33 = 2100 ε 33 = 4400 k 31 = 83
d 31 = -900
張ら 2004 [16] PZNT8 d 33 = 2500 ε 33 = 6000 k 31 = 89
d 31 = -1300
張ら 2004 [16] PZNT12 d 33 = 576 ε 33 = 870 k 31 = 52
d 31 = -217
山下ら。 1997年[17] PSNT33 ε 33 = 960 /
安田ら 2001 [18] パイント28 700 ε 33 = 1500 /
郭ら 2003 [19] パイント34 2000 ε 33 = 5000 /
細野ら 2003 [20] ピムント 1950 ε 33 = 3630 /
張ら 2002 [15] PYNT40 d 33 = 1200 ε 33 = 2700 k 31 = 76
d 31 = -500
張ら 2012 [21] PYNT45 d 33 = 2000 ε 33 = 2000 k 31 = 78
張ら 2003 [22] BSPT57 d 33 = 1200 ε 33 = 3000 k 31 = 77
d 31 = -560
張ら 2003 [23] BSPT58 d 33 = 1400 ε 33 = 3200 k 31 = 80
d 31 = -670
張ら 2004 [16] BSPT66 d 33 = 440 ε 33 = 820 k 31 = 52
d 31 = -162
イェら 2008 [24] BSPT57 d 33 = 1150

d 31 = -520

ε 33 = 3000 k 31 = 0.52

k 33 = 0.91

イェら 2008 [24] BSPT66 d 33 = 440 ε 33 = 820 k 31 = 0.52

k 33 = 0.88

d 31 = -162
イェら 2008 [24] PZNT4.5 d 33 = 2000

d 31 = -970

ε 33 = 5200 k 31 = 0.50

k 33 = 0.91

イェら 2008 [24] PZNT8 d 31 = -1455 ε 33 = 7700 k 31 = 0.60

k 33 = 0.94

イェら 2008 [24] PZNT12 d 33 = 576

d 31 = -217

ε 33 = 870 k 31 = 0.52

k 33 = 0.86

イェら 2008 [24] PMNT33 d 33 = 2820

d 31 = -1330

ε 33 = 8200 k 31 = 0.59

k 33 = 0.94

松原ら 2004 [25] KCN修正KNN d 33 = 100

d 31 = -180

ε 33 = 220-330 k p = 33-39 1200
リュウら 2007 [26] KZT 修正KNN d 33 = 126 ε 33 = 590 k p = 42 58
松原ら 2005 [27] KCT修正KNN d 33 = 190 ε 33 = k p = 42 1300
王ら 2007 [28] Bi 2 O 3ドープKNN d 33 = 127 ε 33 = 1309 k p = 28.3
江ら 2009 [29] ドープKNN-0.005BF d 33 = 257 ε 33 = 361 k p = 52 45
陶芸
参照 特性評価に使用された材料とヘテロ構造（電極/材料、電極/基板） オリエンテーション 圧電係数、d（pC/N） 比誘電率、ε r 電気機械結合係数、k 品質係数
ベルリンコートら 1958 [30] BaTiO 3 d 15 = 270 ε 11 = 1440 k 15 = 0.57
d 31 = -79 ε 33 = 1680 k 31 = 0.49
d 33 = 191 k 33 = 0.47
タンら 2011 [31] BFO d 33 = 37 k t = 0.6
張ら 1999 [32] PMN-PT d 31 = -74 ε 33 = 1170 k 31 = -0.312 283
[33] PZT-5A d 31 = -171 ε 33 = 1700 k 31 = 0.34
d 33 = 374 k 33 = 0.7
[34] PZT-5H d 15 = 741 ε 11 = 3130 k 15 = 0.68 65
d 31 = -274 ε 33 = 3400 k 31 = 0.39
d 33 = 593 k 33 = 0.75
[35] PZT-5K d 33 = 870 ε 33 = 6200 k 33 = 0.75
田中ら 2009 [36] PZN7%PT d 33 = 2400 εr = 6500 k 33 = 0.94

k t = 0.55

パンら 2010 [37] アンズ d 33 = 295 1.61 45.5 84
パークら 2006 [38] KNN-BZ d 33 = 400 2 57.4 48
チョーら 2007 [39] KNN-BT d 33 = 225 1.06 36.0
パークら 2007 [40] KNN-ST d 33 = 220 1.45 40.0 70
趙ら 2007 [41] KNN-CT d 33 = 241 1.32 41.0
張ら 2006 [42] リンク d 33 = 314 約700 41.2
斎藤ら 2004 [43] KNN-LS d 33 = 270 1.38 50.0
斎藤ら 2004 [43] LF4 d 33 = 300 1.57
田中ら 2009 [36] 指向性LF4 d 33 = 416 1.57 61.0
パンら 2010 [37] アンズ d 33 = 295 1.61 45.5 84
パークら 2006 [38] KNN-BZ d 33 = 400 2 57.4 48
チョーら 2007 [44] KNN-BT d 33 = 225 1.06 36.0
パークら 2007 [40] KNN-ST d 33 = 220 1.45 40.0 70
マウリヤら 2013 [45] KNN-CT d 33 = 241 1.32 41.0
マウリヤら 2013 [45] NBT-BT (001) テクスチャサンプル d 33 = 322 ...
Gao et al. 2008 [46] NBT-BT-KBT (001) テクスチャサンプル d 33 = 192
ゾウら 2016 [47] NBT-KBT (001) テクスチャサンプル d 33 = 134 k p = 35
斎藤ら 2004 [43] NBT-KBT (001) テクスチャサンプル d 33 = 217 k p = 61
チャンら 2009 [48] KNLNTS (001) テクスチャサンプル d 33 = 416 k p = 64
チャンら 2011 [49] KNNS (001) テクスチャサンプル d 33 = 208 k p = 63
フセインら 2013 [50] KNLN (001) テクスチャサンプル d 33 = 192 k p = 60
高尾ら 2006 [51] KNNT (001) テクスチャサンプル d 33 = 390 k p = 54
李ら 2012 [52] KNN 1 CuO (001) テクスチャサンプル d 33 = 123 k p = 54
チョーら 2012 [53] KNN-CuO (001) テクスチャサンプル d 33 = 133 k p = 46
ハオら 2012 [54] NKLNT (001) テクスチャサンプル d 33 = 310 k p = 43
グプタら 2014 [55] KNLN (001) テクスチャサンプル d 33 = 254
ハオら 2012 [54] KNN (001) テクスチャサンプル d 33 = 180 k p = 44
バイら 2016 [56] BCZT (001) テクスチャサンプル d 33 = 470 k p = 47
イェら 2013 [57] BCZT (001) テクスチャサンプル d 33 = 462 k p = 49
シュルテイスら 2017 [58] BCZT-TH (001) テクスチャサンプル d 33 = 580
大森ら 1990 [59] BCT (001) テクスチャサンプル d 33 = 170
チャンら 2008 [60] Pz34（ドープPbTiO 3） d 15 = 43.3 ε 33 = 237 k 31 = 4.6 700
d 31 = -5.1 ε 33 = 208 k 33 = 39.6
d 33 = 46 k 15 = 22.8
k p = 7.4
リーら 2009 [61] BNKLBT d 33 = 163 εr = 766 k 31 = 0.188 142
ε 33 = 444.3 k t = 0.524
k p = 0.328
佐々木ら 1999 [62] KNLNTS εr = 1156 k 31 = 0.26 80
ε 33 = 746 k t = 0.32
k p = 0.43
竹中ら 1991 [63] (Bi 0.5 Na 0.5 )TiO 3 (BNT) ベースの BNKT d 31 = 46 εr = 650 k p = 0.27
d 33 = 150 k 31 = 0.165
田中ら 1960 [64] (Bi 0.5 Na 0.5 )TiO 3 (BNT) 系 BNBT d 31 = 40 εr = 580 k 31 = 0.19
d 33 = 12.5 k 33 = 0.55
ハットソン 1960 [65] カドミウム d 15 = -14.35
d 31 = -3.67
d 33 = 10.65
スコフィールドら 1957 [66] カドミウム d 31 = -1.53
d 33 = 2.56
エガートンら 1959 [67] バカオティ d 31 = -50 k 15 = 0.19 400
d 33 = 150 k 31 = 0.49
k 33 = 0.325
池田ら 1961 [68] ニオブ2オキソ鉛 ​ d 31 = -11 k r = 0.07 11
d 33 = 80 k 31 = 0.045
k 33 = 0.042
池田ら 1962 [69] C 6 H 17 N 3 O 10 S d 23 = 84 k 21 = 0.18
d 21 = 22.7 k 22 = 0.18
d 25 = 22 k 23 = 0.44
ブラウンら 1962 [70] BaTiO 3 (95%) BaZrO 3 (5%) k 15 = 0.15 200
d 31 = -60 k 31 = 0.40
d 33 = 150 k 33 = 0.28
ヒューストン 1960 [65] BaNb 2 O 6 (60%) Nb 2 O 6 Pb (40%) d 31 = -25 k r = 0.16
バクスターら 1960 [71] BaNb 2 O 6 (50%) Nb 2 O 6 Pb (50%) d 31 = -36 k r = 0.16
プルリン 1962 [72] BaTiO 3 (97%) CaTiO 3 (3%) d 31 = -53 ε 33 = 1390 k 15 = 0.39
d 33 = 135 k 31 = 0.17
k 33 = 0.43
ベルリンコートら 1960 [73] BaTiO 3 (95%) CaTiO 3 (5%) d 15 = -257 ε 33 = 1355 k 15 = 0.495 500
d 31 = -58 k 31 = 0.19
d 33 = 150 k 33 = 0.49
k r = 0.3
ベルリンコートら 1960 [73] BaTiO 3 (96%) PbTiO 3 (4%) d 31 = -38 ε 33 = 990 k 15 = 0.34
d 33 = 105 k 31 = 0.14
k 33 = 0.39
ジャッフェら 1955 [74] PbHfO 3 (50%) PbTiO 3 (50%) d 31 = -54 k r = 0.38
ケル 1962 [75] Nb 2 O 6 Pb (80%) BaNb 2 O 6 (20%) d 31 = 25 k r = 0.20 15
ブラウンら 1962 [70] Nb 2 O 6 Pb (70%) BaNb 2 O 6 (30%) d 31 = -40 ε 33 = 900 k 31 = 0.13 350
d 33 = 100 k 33 = 0.3
k r = 0.24
ベルリンコートら 1960 [76] PbTiO 3 (52%) PbZrO 3 (48%) d 15 = 166 k 15 = 0.40 1170
d 31 = -43 k 31 = 0.17
d 33 = 110 k 33 = 0.43
k r = 0.28
ベルリンコートら 1960 [77] PbTiO 3 (50%) ジルコン酸鉛 (50%) d 15 = 166 k 15 = 0.504 950
d 31 = -43 k 31 = 0.23
d 33 = 110 k 33 = 0.546
k r = 0.397
エガートンら 1959 [67] KNbO 3 (50%) NaNbO 3 (50%) d 31 = -32 140
d 33 = 80 k 31 = 0.21
k 33 = 0.51
ブラウンら 1962 [70] NaNbO 3 (80%) Cd 2 Nb 2 O 7 (20%) d 31 = -80 ε 33 = 2000 k 31 = 0.17
d 33 = 200 k 33 = 0.42
k r = 0.30
スコフィールドら 1957 [66] BaTiO 3 (95%) CaTiO 3 (5%) CoCO 3 (0.25%) d 31 = -60 ε 33 = 1605 k r = 0.33
プルリン 1962 [72] BaTiO 3 (80%) PbTiO 3 (12%) CaTiO 3 (8%) d 31 = -31 k 31 = 0.15 1200
d 33 = 79 k 33 = 0.41
k r = 0.24
デファイ 2011 [78] AlN（Pt-Mo） d 31 = -2.5
柴田ら 2011 [79] KNN(Pt-Pt) <001> d 31 = -96.3 εr = 1100
d 33 = 138.2
セスラー 1981 [80] PVDF d 31 = 17.9 k 31 = 10.3
d 32 = 0.9 k 33 = 12.6
d 33 = -27.1
レンら 2017 [81] PVDF d 31 = 23 εr = 106
d 32 = 2
d 33 = -21
坪内ら 1981 [82] エピAlN/Al 2 O 3 <001> d 33 = 5.53 ε 33 = 9.5 k t = 6.5 2490
ナノ材料
参照 材料 構造 圧電係数、d（pC/N） 特性評価方法 サイズ（nm）
Ke et al. 2008 [83] NaNbO3​ ナノワイヤ d 33 = 0.85-4.26 pm/V PFM d = 100
王ら 2008 [84] KNbO 3 ナノワイヤ d 33 = 0.9 pm/V PFM d = 100
張ら 2004 [85] PZT ナノワイヤ PFM d = 45
趙ら 2004 [86] 酸化亜鉛 ナノベルト d 33 = 14.3-26.7 pm/V PFM 幅 = 360 高さ = 65
羅ら 2003 [87] PZT ナノシェル d 33 = 90 pm/V PFM d = 700 t = 90
ユンら 2002 [88] BaTiO 3 ナノワイヤ d 33 = 0.5 pm/V PFM d = 120
リンら 2008 [89] カドミウム ナノワイヤ AFMチップで曲げる d = 150
王ら 2007 [90] PZT ナノファイバー 圧電電圧定数〜0.079 Vm/N タングステンプローブを使用した曲げ d = 10
王ら 2007 [91] BaTiO 3 - d 33 = 45 pC/N 直接引張試験 d ~ 280
チョンら 2014 [92] アルカリニオブ酸塩（KNLN） 膜 d 33 = 310 pC/N -
パークら 2010 [93] BaTiO 3 薄膜 d 33 = 190 pC/N
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