チタン酸鉛(II)

チタン酸[鉛]：優れた圧電特性を持つ化合物

チタン酸[鉛] (PbTiO3) は、[鉛]]とチタンからなるチタン酸塩の一種です。化学式から分かるように、[[鉛]イオンとチタン(IV)イオン、そして酸素イオンから構成されています。天然には存在せず、人工的に合成される化合物です。

独特の結晶構造と圧電特性

室温において、チタン酸[鉛]はペロブスカイト型と呼ばれる結晶構造を取ります。この構造は、チタンイオンが酸素イオンの八面体の中心に位置し、鉛イオンがその八面体の間隙を埋めるという特徴的な配置をしています。興味深いことに、このペロブスカイト構造はわずかな歪みを持っており、a軸とc軸の長さに約6%もの差が生じています(a = 3.904 Å, c = 4.150 Å)。

この結晶構造の歪みは、チタン酸[鉛]に大きな自発分極という性質を与えています。自発分極とは、物質内部に電荷の偏りが生じ、電場が生じる現象です。チタン酸[鉛]の自発分極は非常に大きく、0.057 Cm²以上に達します。この大きな自発分極が、チタン酸[鉛]の高い圧電性を引き起こします。圧電性とは、物質に力を加えると電圧が発生し、逆に電圧を加えると変形する性質です。

しかし、チタン酸[鉛]の大きな自発分極は、バルク（塊状）の圧電材料としての利用を困難にしています。分極条件の制御が難しいため、均一な分極を得ることが難しいのです。そのため、バルク材料としての応用は限定的です。

相転移と誘電特性

温度が上昇すると、チタン酸[鉛]は495℃で相転移を起こします。ペロブスカイト構造から立方晶系の構造へと変化し、自発分極が消失して常誘電体となります。立方晶系での格子定数は約3.96 Åです。

チタン酸ジルコン酸[鉛]への応用

チタン酸[鉛]の圧電特性を活かした応用例として、チタン酸ジルコン酸[鉛] (Pb(Zr,Ti)O3、PZT)が挙げられます。これは、チタン酸[鉛]の一部をジルコン酸鉛で置き換えることで得られる固溶体です。PZTは、優れた圧電特性と加工性の高さから、圧電素子として様々な電子機器に広く用いられています。例えば、アクチュエータ、センサ、トランスデューサなど、様々な用途で活躍しています。

合成方法と応用分野

チタン酸[鉛]は、[一酸化鉛]と二酸化チタン(TiO2)を混合し、高温で焼結することで合成されます。この反応は、以下の化学式で表すことができます。

PbO + TiO2 → PbTiO3

合成されたチタン酸[鉛]は、他の化合物との混合比を変えることで、融点を280～340℃程度に調整できます。この性質を利用して、電子部品や半導体の封止ガラスとして利用されています。封止ガラスは、電子部品を保護し、外部からの影響を防ぐ重要な役割を果たします。

まとめ

チタン酸[鉛]は、優れた圧電特性を持つ化合物ですが、バルク材料としての利用は限定的です。しかし、その特性はPZTなどの重要な材料開発に貢献しており、電子機器の小型化や高性能化に大きく寄与しています。また、封止ガラスとしての応用も、電子部品の信頼性向上に役立っています。

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