PLZT Ceramics

จาก ChulaPedia

เนื้อหา 1 เลดแลนทานัมเซอร์โคเนตไททาเนต (PLZT) 2 ปรากฏการณ์โฟโตวอลเทอิกในวัสดุ PLZT 3 ปรากฏการณ์เพียโซอิเล็กทริกในวัสดุ PLZT 4 ปรากฏการณ์โฟโตสทริกทีฟ (Photostrictive effect) ในวัสดุ PLZT

เลดแลนทานัมเซอร์โคเนตไททาเนต (PLZT)

เลดแลนทานัมเซอร์โคเนตไททาเนต (PLZT) คือ วัสดุเฟร์โรอิเล็คทริกชนิดหนึ่งซึ่งมีโครงสร้างผลึกแบบ Perovskite และมีสูตรโครงสร้างอย่างง่าย คือ ABO3 โดยตะกั่วไอออนและแลนทานัมไอออน บรรจุอยู่ในตำแหน่งของ A ส่วนเซอร์โคเนียม ไอออนและไทเทเนียมไอออน บรรจุอยู่ในตำแหน่งของ B ดังเห็นแผนภาพจำลองได้ใน รูปที่ 1 ซึ่งสามารถเขียนสูตรทางเคมีได้เป็น

                                 Pb1-xLax(ZryTi1-y)1-x/4O3

รูปที่ 1 แผนภาพจำลองโครงสร้างของวัสดุ PLZT

เนื่องจากโครงสร้างผลึกของ PLZT อยู่ในระบบผลึกเททระโกนัล (tetragonal) ดังในรูปที่ 1 และมีการเคลื่อนตัวออกจาก จุดศูนย์กลางเล็กน้อยของไอออนในตำแหน่ง B เป็นเหตุให้ผลึก ของวัสดุ PLZT มีการโพลาไรเซชันในตัวเอง ดังเห็นได้ชัดเจนใน รูปที่ 2 ซึ่งแสดงทิศทางของไดโพลในโครงสร้างผลึก และด้วยความยืดหยุ่นทางไดโพลนี้เองทำให้วัสดุดังกล่าวสามารถเปลี่ยนขั้วไดโพล ได้ด้วยสนามไฟฟ้า

รูปที่ 2 แผนภาพจำลองการโพลาไรเซชันของวัสดุ PLZT

ปรากฏการณ์โฟโตวอลเทอิกในวัสดุ PLZT

เมื่อวัสดุ PLZT ถูกกระตุ้นด้วยแสงที่มีพลังงานมากกว่าช่องว่างแถบพลังงาน (energy band gap) ของ PLZT (~3.26 eV) จะทำให้อิเล็คตรอนถูกกระตุ้นจากแถบเวเลนซ์ (valence band) ขึ้นไปอยู่ในแถบการนำ (conduction band) ซึ่งช่วงความยาว คลื่นแสงที่มีค่าพลังงานเท่ากับ 3.26 eV อยู่ในช่วงประมาณ 380 นาโนเมตร ซึ่งเป็นช่วงของแสงอัลตราไวโอเล็ต ดังแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 แผนภาพจำลองปรากฏการณ์โฟโตวอลเทอิกวัสดุ PLZT

จากผลงานวิจัยของ K. Uchino(21) องค์ประกอบทางเคมีของวัสดุ PLZT ที่ก่อให้เกิดค่ากำลังไฟฟ้าเนื่องจากปรากฏการณ์โฟโตวอลเทอิก (photovoltaic power, Pph) สูงสุด คือ องค์ประกอบที่มีตะกั่วไอออน แลนทานัมไอออน เซอร์โคเนียมไอออนและไทเทเนียมไอออน อยู่ 97, 3, 52 และ 48 mol% ตามลำดับ ((Pb0.97La0.03)(Zr0.52Ti0.48)O3) ดังแสดงในซึ่งสามารถเขียนเป็นสัญลักษณ์ อย่างง่าย คือ PLZT(3/52/48) ซึ่งให้ค่ากระแสไฟฟ้าเนื่องจากปรากฏการณ์โฟโตวอลเทอิก (photocurent, Jph) อยู่ที่ 2.8 nA/cm และค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าเนื่องจากปรากฏการณ์โฟโตวอลเทอิก (photovoltage, Eph) อยู่ที่ 1.8 kV/cm ซึ่งให้ค่ากำลังไฟฟ้าเนื่องจาก ปรากฏการณ์โฟโตวอลเทอิกสูงที่สุด ดังเห็นได้จากกราฟ contour ค่ากระแสไฟฟ้าเนื่องจากปรากฏการณ์โฟโตวอลเทอิก (photocurent Jph) และค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าเนื่องจากปรากฏการณ์โฟโตวอลเทอิก (photovoltage, Eph) ในรูปที่ 4

รูปที่ 4 กราฟ contour ค่า photocurrent (Jph) และค่า photovoltage (Eph) ที่องค์ประกอบทางเคมีต่างๆ ของวัสดุ PLZT

นอกจากนี้ K. Uchino พบว่าความยาวคลื่นแสงที่เหมาะสมกับปรากฏการณ์โฟโตวอลเทอิกของ PLZT(3/52/48) คือ อยู่ที่ 366 นาโนเมตร เนื่องจากเป็นความยาวคลื่นที่ก่อให้เกิดกระแสไฟฟ้าเนื่องจากปรากฏการณ์โฟโตวอลเทอิกสูงที่สุด ดังแสดงในรูปที่ 5

รูปที่ 5 กราฟความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นแสงและ photocurent ของวัสดุ PLZT(3/52/48)

ปรากฏการณ์เพียโซอิเล็กทริกในวัสดุ PLZT

K. Uchino ทำการวัดค่าคงที่เพียโซอิเล็กทริก (piezoelectric constant, d33) ของวัสดุ PLZT ที่องค์ประกอบทางเคมีต่างๆ พบว่าวัสดุ PLZT ให้ค่าคงที่เพียโซอิเล็กทริกสูง คือ มากกว่า 300 พิโคเมตรต่อโวลต์ ขึ้นไป โดยเฉพาะองค์ประกอบทางเคมี PLZT(8/63/37) ซึ่งให้ค่าคงที่เพียโซ-อิเล็กทริกสูงถึง 700 พิโคเมตรต่อโวลต์(21) ให้ค่าดังแสดงในรูปที่ 6 ซึ่งจะเห็นได้ว่าค่าคงที่เพียโซอิเล็กทริก ของวัสดุ PLZT(3/52/48) มีค่าอยู่ที่ประมาณ 360 พิโคเมตรต่อโวลต์

รูปที่ 6 กราฟ contour ค่าคงที่เพียโซอิเล็กทริก (d33) ที่องค์ประกอบทางเคมีต่างๆ ของวัสดุ PLZT

ปรากฏการณ์โฟโตสทริกทีฟ (Photostrictive effect) ในวัสดุ PLZT

ปรากฏการณ์โฟโตสทริกทีฟ (photostrictive effect) คือ ปรากฏการณ์ที่วัสดุเกิดปรากฏการณ์โฟโตวอลเทอิก (photovoltaic effect) และปรากฏการณ์เพียโซอิเล็กทริกแบบผันกลับ (converse-piezoelectric effect) ได้ในเวลาเดียวกัน นั่นหมายความว่าในขณะที่ วัสดุดังกล่าวถูกฉายด้วยแสงแล้วจะเกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น ซึ่งกระแสไฟฟ้าดังกล่าวจะไปกระตุ้นการเกิดปรากฏการณ์เพียโซอิเล็กทริกแบบกลับผันทำ ให้วัสดุดังกล่าวเกิดการเปลี่ยนแปลงเชิงเส้นดังแสดงในรูปที่ 7 ซึ่งปรากฏการณ์ดังกล่าวนี้ถูกค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์สองท่านในเวลาใกล้เคียงกัน คือ P.S. Brody และ K. Uchino(2-4) ซึ่งปรากฏการณ์ดังกล่าวสามารถอธิบายได้ด้วยสมการด้านล่าง

                                     Xph = d33 x Eph

โดยที่ Xph คือ ค่าโฟโตสทริกชัน (photostriction) d33 คือ ค่าคงที่เพียโซอิเล็กทริก (piezoelectric constant) Eph คือ ความต่างศักย์ไฟฟ้าเนื่องจากปรากฏการณ์โฟโตวอลเทอิก (photovoltage)

รูปที่ 7 แผนภาพจำลองปรากฏการณ์โฟโตสทริกทีฟ ประกอบด้วย ปรากฏการณ์โฟโตวอลเทอิก และปรากฏการณ์เพียโซอิเล็กทริก

ปรากฏการณ์โฟโตสทริกทีฟนี้เกิดขึ้นได้ในวัสดุเฟร์โรอิเล็กทริกชนิดเลดแลนทานัมเซอร์โคเนตไททาเนต เป็นเหตุให้วัสดุดังกล่าวได้รับความสนใจ เพื่อนำไปใช้ในประโยชน์ต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับแสง เช่น ใช้ในการบังคับหุ่นยนต์ระยะไกลด้วยแสง(2, 23) หรือใช้ในการแปลงสัญญาณแสงไปเป็น สัญญาณเสียง(23, 38) หรือสร้างเป็นมอเตอร์แสง(23, 25)เป็นต้น