压电材料的基础化学

与许多电子领域一样，化学是压电材料工作原理的基本驱动力。在压电材料中，在原子水平上引起的晶体结构变化决定了它们的功能。对压电材料施加的应力和/或压力会导致晶体结构发生变形，从而导致材料中的电流发生变化。当分类为压电或压阻的压电材料受到应力和/或应变时，电荷或电阻率（分别）发生变化。

尽管压电材料的应用范围比压敏电阻更广泛，但这两种类型的压电材料在传感器应用中都非常有用，即可以测量材料在施加负载下是否发生机械变形的应力/应变传感器。这些传感器在基于建筑的应用中至关重要，可以测量结构的某些部分是否因应力过大而变形。设计人员还将压电材料用作功率换能器、执行器、导电粘合剂和密封剂、高压电源和压电马达。除了传感器应用，压阻材料的另一个主要应用是压阻电阻器。

压电材料

压电材料利用压电效应原理工作。压电效应是在施加应力的情况下产生电荷。压电的主要特征之一是它是可逆的。因此，当应力从材料中释放时，电荷就会停止。然而，这可以反过来工作。除了导致电荷的应力外，如果对压电材料施加电荷，则其原子结构会变形并在材料上引起应力。

在原子水平上重新排列固态晶格内的离子会产生压电性。因为大多数材料是固态无机材料，其中原子晶格是规则且重复排列的有序阳离子和阴离子，正是这种规则原子模式的变形产生了电荷。请注意，材料的整体电荷是中性的，因此它在晶格中包含相同数量的阳离子和阴离子——不考虑固态晶格中可能出现的自然缺陷。

压电在许多绝缘材料中起作用，尤其是那些具有晶胞（即晶格的基本构建块）且具有特定对称性的绝缘材料。这些材料的示例包括：

天然和合成晶体

合成陶瓷

III-V 族和 II-VI 族半导体

各种其他金属氧化物络合物

聚合物是一类偏离高度有序的固态晶格结构的材料。一些聚合物本质上更像结晶体，而不是无定形体。这意味着一些聚合物可以产生压电电荷；然而，电荷强度明显低于无机物。

压电材料的特定对称性是其机制如何工作的关键驱动因素。晶体可以展示 32 种不同的晶体几何形状（也称为点群）。压电材料本质上是非中心对称的，这意味着它们在晶格内没有反转中心。因此，压电材料只有一定数量的适用晶格类型。鉴于对称性要求，有 20 个可行的非中心对称晶格，这意味着只有某些材料才能产生压电电流。

材料的晶格对称性很重要，因为在晶格内诱导宏观极化会产生电荷，而这只能在这些特定的晶格条件下发生。然而，这通常不足以在其自身产生大的压电效应，并且需要材料也具有能够在晶格应变下移动的具有大有效电荷的离子。产生电荷的机制结合了这些不同的晶体学方面。当向材料施加应力时，带相反电荷的离子从其正常方向移动，从而使它们在晶格内彼此靠近。这会改变晶格内的电荷平衡，并引发外部电场。当这些效应发生在晶格内时，电荷不平衡的效应会遍及整个材料。结果，晶体的外表面上出现了正电荷或负电荷。然后，这在相反电荷的晶体表面上产生一个电压，这就是压电。当压力刺激被移除时，晶格恢复到其自然状态，电压降低。

压阻材料

压阻材料与压电材料相似但又不同。压阻材料利用压阻效应原理工作。与压电效应一样，压阻效应是在施加应力的情况下发生变化；然而，压阻效应中的晶格变形会导致材料电阻率的变化。压阻效应只发生在以某种方式导电的材料中，无论是高导电材料，如金属还是半导体材料。

导电材料是实现压阻材料的基础。压阻性部分依赖于改变材料的带隙以改变其电阻率/绝缘特性。绝缘材料在其电子能带结构中的导带和价带之间具有较宽的带隙，因此需要大量的能量输入来调动电子。相比之下，金属中的价带和导带重叠，这就是金属导电的原因——因为它使电子能够以最小的能量障碍流向导带。虽然半导体的带隙不重叠，但价带和导带的能级非常接近。它只需要一点点能量输入——通常是热量——来促进电子从价带移动到导带。在某些情况下，电阻率会降低，但带隙的降低幅度并不大。虽然在这些情况下带隙的变化足以使许多半导体和金属更具导电性，但对绝缘材料的影响可以忽略不计。

因为压电电阻率与改变电子带隙的影响有关，所以需要带隙为零或非常小的材料。当压阻材料中的离子受到应变时，离子之间的原子间距离发生变化，从而改变材料的电阻率。压阻率的变化可以双向进行，使材料具有更大或更小的电阻。压阻率的变化是否使材料具有更大或更小的电阻取决于原子在施加的机械力下发生的情况。

电阻率的具体变化取决于施加到材料上的应力类型。如果材料被拉紧/拉长，大多数原子将彼此散开得更远。因为带隙是由晶格中离子之间的间距控制的，所以这个额外的距离加宽了带隙并降低了电阻率。另一方面，如果材料受到压缩力，则晶格中的离子将靠得更近。这降低了电阻率，因为电子在离子之间通过所需的能量减少了。因为这种变化与晶格中离子之间的距离有关，所以晶格的几何形状也可以影响电阻率在施加的机械力下如何变化。

结论

当施加机械应力时，压电和压阻材料的电子特性会发生变化。尽管两种材料的刺激相同，但其内部机制和性质变化却不同。对于压电材料，晶格上的应力导致电荷通过通常是绝缘材料的材料，从而导致材料内部的电荷不平衡；而压阻材料的电阻率是通过使晶格变形和改变导电/半导体材料的带隙来改变的。

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