3.1: Piroelectricidad

Piroelectricidad en Materiales Cristalinos

Los dispositivos piroeléctricos son dispositivos de conversión de energía que convierten una diferencia de temperatura hacia o desde la electricidad a través de cambios en la polarización del material. El efecto piroeléctrico fue estudiado por primera vez por Hayashi en 1912 y por Rontgen en 1914 [3] [40]. Este efecto ocurre en aisladores, por lo que es diferente del efecto termoeléctrico. El efecto termoeléctrico, que se discutirá en el Capítulo 8, es un proceso que convierte entre la energía de una diferencia de temperatura y la electricidad y ocurre porque el calor y las cargas fluyen a diferentes velocidades a través de uniones.

Material	Composición Química	Tensión piezoeléctrica const. \(d\)en\(\frac{m}{V}\) desde [38] [39]	Coeff piroeléctrico. \(|\overrightarrow{b}|\)en\(\frac{C} {m^2K}\) desde [38] [39]	Coeff electroóptico Pockels. \(\gamma\)en\(\frac{m}{V}\) desde [27]
Esfalerita	\(\text{ZnS}\)	\ (d\) en\(\frac{m}{V}\) de [38] [39]” class="lt-eng-18950">\(1.60 \cdot 10^{-12}\)	\ (|\ overrightarrow {b} |\) en\(\frac{C} {m^2K}\) de [38] [39]” class="lt-eng-18950">\(4.34 \cdot 10^{-7}\)	\ (\ gamma\) en\(\frac{m}{V}\) de [27]” class="lt-eng-18950">\(1.6 \cdot 10^{-12}\)
Cuarzo	\(\text{SiO}_2\)	\ (d\) en\(\frac{m}{V}\) de [38] [39]” class="lt-eng-18950">\(2.3 \cdot 10^{-12}\)	\ (|\ overrightarrow {b} |\) en\(\frac{C} {m^2K}\) de [38] [39]” class="lt-eng-18950">\(1.67 \cdot 10^{-6}\)	\ (\ gamma\) en\(\frac{m}{V}\) de [27]” class="lt-eng-18950">\(0.23 \cdot 10^{-12}\)
Titanato de Bario	\(\text{BaTiO}_3\)	\ (d\) en\(\frac{m}{V}\) de [38] [39]” class="lt-eng-18950">\(2.6 \cdot 10^{-10}\)	\ (|\ overrightarrow {b} |\) en\(\frac{C} {m^2K}\) de [38] [39]” class="lt-eng-18950">\(12 \cdot 10^{-6}\)	\ (\ gamma\) en\(\frac{m}{V}\) de [27]” class="lt-eng-18950">\(19 \cdot 10^{-12}\)

Tabla\(\PageIndex{1}\): Ejemplo de constantes de deformación piezoeléctrica, coeficientes piroeléctricos y coeficientes electroópticos de Pockels. Los valores de esfalerita asumen la estructura\(\bar{4}3m\) cristalina. Los coeficientes Pockels asumen una longitud de onda de\(\lambda = 633 nm\). Se dan los valores promedio especiados en las referencias. Consulte las referencias citadas para conocer los supuestos adicionales. El coeficiente electroóptico de Pockels\(\gamma\) se define en la Sec. 3.2.1.

Si se coloca un cristal aislante en un campo eléctrico externo, el material se polarizará. Los electrones se desplazarán ligeramente formando dipolos eléctricos, y la energía se puede almacenar en esta polarización material. En algunos materiales piroeléctricos, el calentamiento o enfriamiento también provocará que el material se polarice. Podemos modelar la polarización material agregando un término a la Ecuación 2.2.1 para dar cuenta de la dependencia de la temperatura [3, p. 327].

\[\overrightarrow{P} =\overrightarrow{D} -\epsilon_0 \overrightarrow{E} + \overrightarrow{b}\Delta T. \label{3.1.1} \]

Al igual que en la Ecuación 2.3.1,\(\overrightarrow{P}\) representa la polarización del material en\(\frac{C}{m^2}\),\(\overrightarrow{D}\) representa la densidad de flujo de desplazamiento en C m2,\(\overrightarrow{E}\) representa la intensidad del campo eléctrico en\(\frac{V}{m}\), y\(\epsilon_0\) es la permitividad del espacio libre en\(\frac{F}{m}\). El coeficiente piroeléctrico\(\overrightarrow{b}\) tiene unidades\(\frac{C}{m^2K}\), y\(\Delta T\) representa el cambio de temperatura. El coeficiente\(\overrightarrow{P}\) es un vector porque la polarización del material puede ser diferente a lo largo de diferentes direcciones del cristal. En la tabla se\(\PageIndex{1}\) enumeran los valores de ejemplo para el coeficiente piroeléctrico así como para otros coeficientes. (Obsérvese que esta definición de\(\overrightarrow{b}\) es similar pero no idéntica a la definición de [3].) En algunos materiales, la polarización del material depende linealmente de la temperatura como se describe en la Ecuación\ ref {3.1.1}. En otros materiales, se necesitan más términos para describir la dependencia de la polarización del material con respecto a la temperatura.

\[\overrightarrow{P} =\overrightarrow{D} - \epsilon_0 \overrightarrow{E} + \overrightarrow{b}\Delta T + \overrightarrow{b_{quad}} (\Delta T)^2 ... \nonumber \]

Muchos materiales exhiben piroelectricidad solo por debajo de una temperatura conocida como la temperatura piroeléctrica de Curie.

En el último capítulo, vimos que podíamos determinar si un material cristalino era piezoeléctrico o no a partir de su estructura cristalina. Para ello, identificamos las simetrías de la estructura cristalina. Las estructuras cristalinas se agrupan en 32 clases llamadas grupos de puntos de cristal en función de las simetrías que contienen. Las estructuras cristalinas en los 21 de los grupos de puntos cristalinos que no tienen un centro de simetría pueden ser piezoeléctricas. Podemos utilizar una técnica similar para determinar si un material cristalino es o no piroeléctrico. Todos los cristales piroeléctricos son piezoeléctricos, pero no todos los cristales piezoeléctricos son piroeléctricos. Para determinar si un material cristalino puede ser piroeléctrico, identificar su estructura cristalina y determinar el grupo de puntos cristalinos correspondiente. Los cristales en los 10 grupos de puntos cristalinos enumerados en el Cuadro 2.3.1 son piroeléctricos [3, p. 366] [26, p. 557].

Piroelectricidad en Materiales Amorfos y Policristalinos y Ferroelectricidad

En la Sec. 2.2.3 vimos que algunos materiales, llamados materiales piezoeléctricos ferroeléctricos, tenían una polarización material que dependía no linealmente de la tensión mecánica aplicada. Estos materiales podrían ser cristalinos, amorfos o policristalinos. Cuando se produjo una separación de carga en un átomo, las cargas de ese dipolo eléctrico inducen dipolos a formarse en átomos cercanos, y dominios eléctricos con polarización de material alineado se forman en el material. Este efecto depende de la tensión mecánica aplicada al material anteriormente, y la dependencia de la historia pasada se llama histéresis. Los materiales también pueden ser piroeléctricos ferroeléctricos, y estos materiales pueden ser cristalinos, amorfos o policristalinos. En estos materiales, la polarización del material depende no linealmente de la temperatura, a diferencia de la tensión mecánica. Al igual que con la versión piezoeléctrica de este efecto, la polarización de un átomo induce una polarización material en átomos cercanos. Dichos materiales pueden tener una polarización de material incluso cuando no se aplica gradiente de temperatura, y pueden exhibir histéresis.

Materiales y Aplicaciones de Dispositivos Piroeléctricos

La piroelectricidad se ha estudiado en una serie de materiales que incluyen titanato de bario BaTiO\(_3\), titanato de plomo PbTiO\(_3\) e hidrógeno fosfato de potasio KH\(_2\) PO\(_4\) [25] [26]. También se ha estudiado en vidrios calcogenuros que son sulfuros, selenidos y telururos como GeE [25] [26]. Al seleccionar un material piroeléctrico para una aplicación, se debe considerar el coeficiente piroeléctrico. Las propiedades térmicas también son importantes. El material debe ser capaz de soportar el calentamiento y enfriamiento repetidos, y debe tener una temperatura de fusión relativamente alta para ser útil.

El efecto piroeléctrico no tiene muchas aplicaciones. Algunos detectores ópticos diseñados para detectar la luz infrarroja están hechos de materiales piroeléctricos [41] [42]. Sin embargo, la mayoría de los detectores ópticos son dispositivos fotovoltaicos hechos de uniones semiconductoras, y esta tecnología se discutirá en el Capítulo 6. Mientras que los sensores que utilizan el efecto piroeléctrico podrían usarse para medir la temperatura, normalmente se utilizan otros tipos de sensores de temperatura, como los termopares. Los termopares, que operan con base en el efecto termoeléctrico que se discute en el Capítulo 8, son más convenientes de construir y operar. Además, en muchos materiales piroeléctricos, el efecto es no lineal, mientras que los sensores lineales son más fáciles de trabajar y calibrar.