压电晶体

当某些电介质（往往指绝缘体）晶体在外应力作用下，其表面上会产生电荷积累，这一现象叫做正压电效应； 反之，在电场作用下，晶体中产生应变（或应力）的现象称作反压电效应，我们把具有压电效应的晶体称为压电晶体。这种力生电、电生力的效应是19世纪80年代在石英晶体上首先被发现的。

由于压电效应的存在与晶体的结构和对称性密切相关，在全面描述晶体对称性的32个点群中，有20个我们称作为非中心对称的晶体点群。只有属于这20个点群的晶体材料，才可能存在压电效应，我们也称这20个晶体点群为压电晶体点群。

在压电晶体点群中，已经发现了的具有重要应用价值的压电晶体有石英晶体、铌酸锂晶体、硅酸镓镧及其同系物晶体。压电晶体主要用于制作高质量的谐振器、滤波器、振荡器等。

压电效应是1880 年法国科学家皮埃尔·居里兄弟发现的。他们在研究石英、电石、酒石酸钾钠等晶体的过程中，发现这些晶体在收到外界压力时会有电压、电荷产生，而在加上外加电压时，又会发生形变。利用这种奇特的压电效应，我们可以将机械能转变成电能，或者把电能转变成为机械能。声纳就是利用了压电晶体的这样的特性，通过电子振荡器的振荡电流加到压电晶体上，使得水中产生相应频率的波动，形成超声波。装有这样的装备，就可以凭借压电晶体所发出的超声波以及接收的回波，来发现敌舰、水雷、暗礁以及冰山的。

最早的声纳使用的压电晶体有酒石酸钾钠（罗息盐，罗谢尔盐）、石英等，即使现在，罗息盐和石英仍然大量使用在这一领域。

石英晶体化学组成为二氧化硅，三方点群，熔点为1750℃，密度为2.65 g/cm3。在573℃以下为α相，在573-870℃间为β相。α相和β相石英均有压电效应，但常用的为α-石英。

天然石英晶体是最早被发现和利用的压电晶体，然而天然晶体产量有限，质量不稳定。自二次世界大战以来，对于压电器件的需要促进了压电人工水晶的工业生产。人们已广泛使用水热法生长人造水晶。在常温常压下，水晶并不溶于水。但在高温、高压和加入矿化剂（如NaOH）的条件下，水晶可以溶解，借助于在生长容器（称作高压釜）中生长区和原料区之间的温差，原料石英砂不断溶解，在生长区的籽晶上生长，历时数十天，可以生长大尺寸水晶单晶，大单晶可达30千克以上。

由于石英具有较大的压电系数，并有零温度切型，用这一切型制作的石英振荡器的频率不受温度变化影响，因此广泛用于制作电子钟表、计时仪器和仪表、时间、频率标准等。另外，利用石英晶体制成谐振器等，在通信装置、移动电话、广播、电视装置中也得到了广泛的应用，形成了一个巨大的产业。

铌酸锂(LN)晶体和石英晶体一样，是用途广泛的功能晶体。

目前，铌酸锂由于其压电性能优越，晶体生长技术成熟，成本较低，在压电晶体应用的各个领域都得到广泛开发利用。由于其压电性能好，机电耦合系数大，机械能－电能转换效率高，很适合做宽带的声表面波器件。

除了压电应用之外，铌酸锂晶体还是是光电子元件中不可缺少的材料。可以在调制器、激光波长二次谐波产生（SHG）以及平面光波电路中起着非常重要的作用。

硅酸镓镧(LGS)晶体与石英晶体一样，同属于三方晶系，但其机电耦合系数高于石英晶体的2～3倍，不潮解，不溶于酸碱，具有零温度系数的切向，SAW传播速率低，无相变，不需要极化处理，是优异的压电晶体材料。但是由于其组分中有一半重量为Ga2O3，昂贵的成本使之难以与量大价廉的石英晶体相抗衡，所以只有在少数需要优良性质而不计成本的领域(如航空、航天或军用)才采用LGS晶体制作的器件。

近年来，由于移动通信的发展，LGS制作的微小型中频声体波滤波器被用于宽带波分复用(W-CDMA)体系，而再次受到人们的重视。硅酸镓镧晶体主要是用提拉法生长的。

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