壓電材料與器件
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-01-04
壓電材料與器件的視頻教程
ANSYS & Abaqus~壓電陶瓷材料和仿真計(jì)算
課程內(nèi)容涉及到壓電材料相關(guān)內(nèi)容以及壓電仿真相關(guān)的軟件操作： 具體包括：壓電材料簡(jiǎn)介、性能參數(shù)和壓電方程等。 壓電仿真軟件操作實(shí)例（Piezoelectric Fan）： ANSYS_Workbench—ACT壓電插件實(shí)例操作； Abaqus 實(shí)例操作(Step by Step)； 模態(tài)分析 & 諧響應(yīng)分析 ； 壓電材料的逆壓電效應(yīng)和正壓電效應(yīng)。
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壓電材料與器件的實(shí)例教程
【引言】
以氮化鎵，碳化硅和氧化鋅等為代表的第三代半導(dǎo)體材料已經(jīng)在消費(fèi)電子，5G通訊，電動(dòng)汽車，光電通信等諸多新興領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。這些寬禁帶材料同時(shí)也具有非中心對(duì)稱的晶體結(jié)構(gòu)，因而表現(xiàn)出顯著的壓電特性。然而這些材料中壓電極化電荷和半導(dǎo)體特性的耦合過(guò)程長(zhǎng)期以來(lái)被忽略。
針對(duì)壓電半導(dǎo)體中極化電荷和半導(dǎo)體特性耦合過(guò)程的研究和應(yīng)用，佐治亞理工學(xué)院及中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的王中林院士分別于2007年和2010年首次提出壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)的基本概念和原理，并建立了壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)這兩大新興學(xué)科。在壓電電子學(xué)效應(yīng)中，壓電半導(dǎo)體材料受機(jī)械作用產(chǎn)生的極化電荷對(duì)金屬-半導(dǎo)體肖特基結(jié)或p-n結(jié)界面處的載流子傳輸過(guò)程進(jìn)行有效調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了將外部機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?em>壓電電子學(xué)器件（例如晶體管，邏輯電路等）中的門控信號(hào)。在壓電光電子電子學(xué)效應(yīng)中，壓電半導(dǎo)體材料受機(jī)械作用產(chǎn)生的極化電荷對(duì)光生載流子的產(chǎn)生，復(fù)合，分離以及輸運(yùn)的過(guò)程進(jìn)行有效調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了將外部機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閴弘姽怆娮訉W(xué)器件（例如光電探測(cè)器，發(fā)光二極管等）中的門控信號(hào)。
壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)不僅提供了豐富的基礎(chǔ)研究機(jī)會(huì)，并在人機(jī)交互、微納機(jī)電器件、傳感和自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，人工智能等領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景，由此激發(fā)了科研人員在這個(gè)領(lǐng)域的研究興趣。近年來(lái)對(duì)于壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究取得了快速地發(fā)展。多種功能材料中的壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)的基本效應(yīng)得到了系統(tǒng)深入地研究，相關(guān)的理論體系得以建立，諸多壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)器件也被設(shè)計(jì)研發(fā)。為增進(jìn)研究者們對(duì)壓電電子學(xué)與壓電光電子學(xué)的理解以推進(jìn)其實(shí)際應(yīng)用，王中林院士組織領(lǐng)域內(nèi)研究者在2018年12月的美國(guó)材料學(xué)會(huì)會(huì)刊（MRS Bulletin）上撰寫了主題為“壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)”的?？?。
展開(kāi) 例如，具有大比表面積和良好導(dǎo)電性的2D材料，如硅烯、石墨烯、鍺烯、硼苯、碲烯和磷烯，可能是高性能MESDs的潛在候選材料。然而，由于它們?cè)诃h(huán)境條件下化學(xué)降解時(shí)表面固有的不穩(wěn)定性，這些2D材料需要表面功能化或涂層。另一方面，新興的具有堆疊π共軛2D層、可控孔徑和高比表面積的導(dǎo)電MOFs也是能量存儲(chǔ)應(yīng)用中吸引人的電極材料。更重要的是，高質(zhì)量2D材料的可伸縮性和可加工性不僅對(duì)于基礎(chǔ)研究至關(guān)重要，對(duì)于真正的工業(yè)應(yīng)用也至關(guān)重要，這些應(yīng)用需要先進(jìn)的微加工技術(shù)，包括噴墨印刷、3D印刷和絲網(wǎng)印刷等。
為了滿足智能電子設(shè)備的需求，智能響應(yīng)MESDs已經(jīng)成為功能性電源。然而，由于小型化的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的制備過(guò)程，只有有限的工作致力于開(kāi)發(fā)具有智能功能的MESDs，如自愈合、可壓縮性、電致變色和拉伸性。在這方面，重要的是使用與其工作條件和器件結(jié)構(gòu)兼容的功能電解質(zhì)或電極。智能電解質(zhì)的設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步考慮各種多響應(yīng)聚合物，如光敏、水溶性、pH敏感、熱響應(yīng)、電響應(yīng)和磁響應(yīng)聚合物。此外，2D活性材料的表面功能化將光線照射到智能電極中，這是因?yàn)榭梢造`活調(diào)節(jié)電導(dǎo)率、表面積以及電解質(zhì)中的離子傳輸。因此，智能材料的探索對(duì)于MESDs微制造技術(shù)的發(fā)展同樣重要。
作為微電源和儲(chǔ)能微器件，基于2D材料的MESDs最終旨在為即用型耗能微電子器件提供動(dòng)力。由于智能集成系統(tǒng)的復(fù)雜制造過(guò)程，迄今為止只有很少的工作得到證實(shí)。因此，涉及能量收集、能量存儲(chǔ)和能量消耗單元的創(chuàng)新的自供電集成系統(tǒng)代表了極具吸引力的研究方向。此外，具有可折疊、可清洗和可生物降解特性的智能集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以為未來(lái)智能、獨(dú)立和連續(xù)運(yùn)行日常電子產(chǎn)品鋪平道路。最后，這些多功能一體自供電系統(tǒng)有望在未來(lái)造福于醫(yī)療保健應(yīng)用。
展開(kāi) 例如，具有大比表面積和良好導(dǎo)電性的2D材料，如硅烯、石墨烯、鍺烯、硼苯、碲烯和磷烯，可能是高性能MESDs的潛在候選材料。然而，由于它們?cè)诃h(huán)境條件下化學(xué)降解時(shí)表面固有的不穩(wěn)定性，這些2D材料需要表面功能化或涂層。另一方面，新興的具有堆疊π共軛2D層、可控孔徑和高比表面積的導(dǎo)電MOFs也是能量存儲(chǔ)應(yīng)用中吸引人的電極材料。更重要的是，高質(zhì)量2D材料的可伸縮性和可加工性不僅對(duì)于基礎(chǔ)研究至關(guān)重要，對(duì)于真正的工業(yè)應(yīng)用也至關(guān)重要，這些應(yīng)用需要先進(jìn)的微加工技術(shù)，包括噴墨印刷、3D印刷和絲網(wǎng)印刷等。
為了滿足智能電子設(shè)備的需求，智能響應(yīng)MESDs已經(jīng)成為功能性電源。然而，由于小型化的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的制備過(guò)程，只有有限的工作致力于開(kāi)發(fā)具有智能功能的MESDs，如自愈合、可壓縮性、電致變色和拉伸性。在這方面，重要的是使用與其工作條件和器件結(jié)構(gòu)兼容的功能電解質(zhì)或電極。智能電解質(zhì)的設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步考慮各種多響應(yīng)聚合物，如光敏、水溶性、pH敏感、熱響應(yīng)、電響應(yīng)和磁響應(yīng)聚合物。此外，2D活性材料的表面功能化將光線照射到智能電極中，這是因?yàn)榭梢造`活調(diào)節(jié)電導(dǎo)率、表面積以及電解質(zhì)中的離子傳輸。因此，智能材料的探索對(duì)于MESDs微制造技術(shù)的發(fā)展同樣重要。
作為微電源和儲(chǔ)能微器件，基于2D材料的MESDs最終旨在為即用型耗能微電子器件提供動(dòng)力。由于智能集成系統(tǒng)的復(fù)雜制造過(guò)程，迄今為止只有很少的工作得到證實(shí)。因此，涉及能量收集、能量存儲(chǔ)和能量消耗單元的創(chuàng)新的自供電集成系統(tǒng)代表了極具吸引力的研究方向。此外，具有可折疊、可清洗和可生物降解特性的智能集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以為未來(lái)智能、獨(dú)立和連續(xù)運(yùn)行日常電子產(chǎn)品鋪平道路。最后，這些多功能一體自供電系統(tǒng)有望在未來(lái)造福于醫(yī)療保健應(yīng)用。
展開(kāi) 壓電效應(yīng)我的理解是：
1、正向效應(yīng)是力作用到壓電材料上產(chǎn)生電，可以做傳感器使用；
2、反向效應(yīng)是電場(chǎng)作用到壓電材料上產(chǎn)生應(yīng)變，可以做驅(qū)動(dòng)器使用。
壓電材料一般都是鋯鈦酸鉛、石英-天然陶瓷、聚偏二氟乙烯等進(jìn)行制作的。鋯鈦酸鉛被通稱為PZT，是強(qiáng)電介質(zhì)的鈦酸鉛（PbTiO3）和反強(qiáng)電介質(zhì)的鋯酸鉛（PbZrO3）的固溶體，成分是〔Pb（Zr-Ti）O3〕。居里點(diǎn)根據(jù)兩者的混合比例不同而不同，大約在320℃附近有。在居里點(diǎn)以下沒(méi)有轉(zhuǎn)變點(diǎn)非常穩(wěn)定。燒結(jié)性好，因?yàn)槟軌虺浞值臉O化而且極化也比較的容易，所以能夠制作擁有高壓電常數(shù)的壓電陶瓷。通過(guò)改變混合比可以控制其機(jī)械Q值與相對(duì)介電常數(shù)等。
壓電材料制作流程：
壓電效應(yīng)的產(chǎn)生原因是晶體結(jié)構(gòu)自身的各向異性以及極化作用，默認(rèn)情況下所有壓電材料Z方向極化（X3-方向），并且默認(rèn)情況下材料與空間的Z方向重合，要改變極化方向，最簡(jiǎn)單的做法就是創(chuàng)建一個(gè)新坐標(biāo)系，并指定到壓電材料上。
壓電材料有兩種本構(gòu)形式，一種是應(yīng)力-電荷形式，一種是應(yīng)變-電荷形式。這個(gè)根據(jù)自己獲得的哪種形式的參數(shù)決定，兩者都差不多。
展開(kāi) 正/逆壓電效應(yīng)與材料本身的各向異性程度緊密相關(guān)，反過(guò)來(lái)又與壓電材料的晶體結(jié)構(gòu)存在關(guān)聯(lián)，而各向異性的程度同時(shí)又受到極化過(guò)程的影響。下面，我們將介紹如何在 COMSOL 軟件中正確地模擬壓電材料的晶體取向和極化方向。
壓電效應(yīng)簡(jiǎn)介
讓我們快速回顧一下壓電效應(yīng)的概念：正壓電效應(yīng)指材料受到機(jī)械力的作用時(shí)，其電極化會(huì)發(fā)生改變；而逆壓電效應(yīng)指對(duì)材料施加外部電場(chǎng)后，材料會(huì)發(fā)生變形。
壓電效應(yīng)源自晶體結(jié)構(gòu)
在 32 種晶體中有 20 種為非中心對(duì)稱的晶體結(jié)構(gòu)，而壓電效應(yīng)往往與此有所關(guān)聯(lián)。石英等天然材料具有壓電效應(yīng)，原因就在于其自身的晶體結(jié)構(gòu)。而鋯鈦酸鉛（lead zirconate titanate，簡(jiǎn)稱 PZT）等人工材料需經(jīng)過(guò)極化過(guò)程才能表現(xiàn)出壓電特性。讓我們來(lái)一起探究微觀層面上究竟發(fā)生了什么，從而引起了壓電效應(yīng)。
鈣鈦礦晶胞中偏離中心的鈦離子。
對(duì)于鈣鈦礦（perovskite，分子式為 CaTiO3）一類的典型的非中心對(duì)稱晶體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其晶體中每個(gè)晶胞的凈電荷均為零。然而，由于晶胞中的鈦離子略微偏離中心，因此產(chǎn)生了電極性，從而使晶胞轉(zhuǎn)化為有效的電偶極子。當(dāng)機(jī)械應(yīng)力作用在晶體上時(shí)，鈦離子的位置進(jìn)一步發(fā)生變化，進(jìn)而改變晶體的極化強(qiáng)度，產(chǎn)生正壓電效應(yīng)；相反，當(dāng)對(duì)晶體施加電場(chǎng)時(shí)，鈦離子的位置會(huì)發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，從而導(dǎo)致了晶胞變形，使其變得更接近（或偏離）正方體，這便是逆壓電效應(yīng)的成因。
為何要對(duì)壓電材料進(jìn)行極化？
在晶胞構(gòu)成的宏觀晶體結(jié)構(gòu)中，固有偶極子的取向原本是毫無(wú)規(guī)則的。當(dāng)機(jī)械應(yīng)力作用在材料上時(shí)，為使儲(chǔ)存在偶極子中的總機(jī)電能量降至最小，每個(gè)偶極子都會(huì)改變其初始取向，朝著使能量最小化的方向旋轉(zhuǎn)。如果所有偶極子的初始取向都雜亂無(wú)章（也就是凈極化為零）的話，旋轉(zhuǎn)行為可能不會(huì)顯著改變材料的宏觀凈極化，因此表現(xiàn)出的壓電效應(yīng)可以忽略。
展開(kāi) 
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壓電材料與器件的最新內(nèi)容
來(lái)源 | Small
01
背景介紹
自19世紀(jì)塞貝克、珀?duì)柕侔：蜏飞?yīng)發(fā)現(xiàn)以來(lái)，熱電材料因其在建設(shè)節(jié)能世界方面的巨大價(jià)值而引起了科學(xué)家和工程師的興趣。TE材料可以通過(guò)溫度產(chǎn)生電能梯度，反之亦然。雖然全球三分之二的能源消耗被浪費(fèi)為熱量，但通過(guò)收集廢熱，TE設(shè)備(TEDs)可以成為提高能源效率的潛在解決方案。TEDs
來(lái)源 | Journal of Energy Chemistry
01
背景介紹
隨著電子設(shè)備小型化和集成化的蓬勃發(fā)展，用于高級(jí)計(jì)算的微處理器的功率密度急劇增加。電子設(shè)備產(chǎn)生的大量熱量積聚在設(shè)備內(nèi)部，例如集成電路。過(guò)熱引起的溫度升高會(huì)限制電子設(shè)備的工作適應(yīng)性，導(dǎo)致頻繁的故障甚至自燃。因此，開(kāi)發(fā)提高散熱效率的熱管理材料具有重要的意義。
相變材料
【展會(huì)名稱】泰國(guó)國(guó)際電子元器件、材料及生產(chǎn)設(shè)備展覽會(huì)
【展會(huì)時(shí)間】2024年6月19-22日（每年一屆）
【展會(huì)地點(diǎn)】泰國(guó) 曼谷
【展館名稱】曼谷BITEC展覽中心
【展會(huì)介紹】泰國(guó)國(guó)際電子元器件、材料及生產(chǎn)設(shè)備展覽會(huì)(Nepcon Thailand)由世界的展覽公司——?jiǎng)?lì)展博覽集團(tuán)主辦，并得到相關(guān)單位的大力支持，旨在發(fā)展成為泰國(guó)電子領(lǐng)域具影響力和有代表性的展覽會(huì)
來(lái)源 | Nano-Micro Letters
01
背景介紹
具有層狀結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料以其特殊的各向異性、高強(qiáng)度在工程相關(guān)領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。特別是在散熱方面，層狀結(jié)構(gòu)促進(jìn)了聲子沿徑向的良好運(yùn)輸，使熱在平面內(nèi)快速傳播。與其他熱導(dǎo)體相比，這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征在水平散熱方面具有壓倒性的優(yōu)勢(shì)，使其非常適合小型化
來(lái)源 | Advanced Materials
01
背景介紹
通過(guò)設(shè)計(jì)熱學(xué)超材料的結(jié)構(gòu)構(gòu)型，可實(shí)現(xiàn)熱流的操縱與控制，從而獲得超常熱功能，如：熱隱身、熱集中、熱偽裝、熱旋轉(zhuǎn)等。熱學(xué)超材料設(shè)計(jì)涉及高維設(shè)計(jì)空間、多個(gè)局部極值、巨大計(jì)算成本，以及熱學(xué)屬性與單胞結(jié)構(gòu)間多種對(duì)應(yīng)關(guān)系等，這給熱學(xué)超材料的智能設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)
2023光纖材料與激光器件及技術(shù)發(fā)展論壇邀請(qǐng)函
來(lái)源 | Chemical Engineering Journal
01
背景介紹
隨著集成電路小型化、高功率的快速發(fā)展，熱管理已成為電子器件的重要問(wèn)題之一。然而，實(shí)現(xiàn)有效的熱管理是非常具有挑戰(zhàn)性的。因?yàn)殡娮赢a(chǎn)品主要由堅(jiān)硬的材料制成，由于堅(jiān)硬和粗糙的界面之間的點(diǎn)接觸，不能與散熱器產(chǎn)生完美的接觸
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comsol中壓電陶瓷仿真學(xué)習(xí)
正/逆壓電效應(yīng)與材料本身的各向異性程度緊密相關(guān)，反過(guò)來(lái)又與壓電材料的晶體結(jié)構(gòu)存在關(guān)聯(lián)，而各向異性的程度同時(shí)又受到極化過(guò)程的影響。下面，我們將介紹如何在 COMSOL 軟件中正確地模擬壓電材料的晶體取向和極化方向。
壓電效應(yīng)簡(jiǎn)介
讓我們快速回顧一下壓電效應(yīng)的概念：正壓電效應(yīng)指材料受到機(jī)械力的作用時(shí)，其電極化會(huì)發(fā)生改變；而逆壓電效應(yīng)指對(duì)材料施加外部電場(chǎng)后，材料會(huì)發(fā)生變形。
壓電效應(yīng)源自晶體結(jié)構(gòu)
內(nèi)嵌元器件復(fù)合材料圓柱殼有限元應(yīng)力分析
使用軟件：ansys apdl 或 ABAQUS
工期：一個(gè)月
預(yù)算：1000
需求描述：通過(guò)參數(shù)化建模分析，了解不同模型參數(shù)下復(fù)合材料層合板應(yīng)力分布以及屈曲特性。
1. 探究?jī)?nèi)嵌元器件密度，厚度和形狀對(duì)圓柱殼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響；
2. 探究圓柱殼不同厚度和曲率下結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能
