Piezoelektrische Materialien - eine kurze Erläuterung
Die am häufigsten vorkommenden und für technische Zwecke eingesetzten piezoelektrischen Materialien sind die Einkristallmaterialien Quarz, Turmalin, Galliumphosphat, Lithiumniobat, Lithiumtantalat und Piezokeramiken. Da je nach spezifischer Anwendung zum Teil ganz unterschiedliche Eigenschaften dieser Materialien von Interesse sind, können in einem allgemeinen Vergleich nur ihre wichtigsten Eigenschaften angeführt werden.

Punktgruppe (32)
Hauptvertreter dieser Gruppe: Quarz, Galliumphosphat und Langasit
Obwohl Quarz, direkt nach Feldspat, das am häufigsten vorkommende Mineral der Erde ist, werden jährlich einige Millionen Tonnen künstlich hergestellt. Quarz besitzt eine mit 2-3 GPa hohe mechanische Festigkeit, ist in Wasser nahezu unlöslich und in hohem Maße resistent gegen die meisten Säuren und Laugen. Sein Schmelzpunkt liegt bei 1710°C.

Galliumphosphat ist der vielversprechendste quarzhomeotype Kristall. Es besitzt viele der positiven Charakteristika von Quarz, wie beispielsweise die hohe mechanische Festigkeit, und es übertrifft Quarz sogar hinsichtlich einer Vielzahl interessanter Eigenschaften - insbesondere der höheren elektrisch-mechanischen Kopplung und seiner größeren piezoelektrischen Empfindlichkeit bis zu Temperaturen von 970°C.

Mit der Intensivierung der Forschung nach piezoelektrischen Komponenten in den frühen 80er Jahren, wurden die CGG (Ca3Ga2Ge4O14) entwickelt, was zu einer Gruppe von kristallinen Materialien mit mindestens 40 Elementen führte. Die verschiedenen Kristalle entstehen durch Variationen in den Kationen von CGG. Die wichtigsten Materialien sind LGS (Langasit), LGG (Lanthangalliumgermanat), LGT (Lanthangalliumtantalat), LGN (Lanthangalliumniobat) und SGG (Strontiumgalliumgermanat). Eine allgemeine Eigenschaft dieser Gruppe ist ihre bemerkenswerte und im Vergleich zu Quarz wesentlich höhere Stabilität gegenüber hohen Temperaturen. Langasit wird aufgrund seiner hohen Kopplungseigenschaft und da es leicht in größeren Wafern erhältlich ist, für BAW- und SAW-Anwendungen in Großserien eingesetzt.

Symmetrieklasse 3m
Hauptvertreter dieser Gruppe: Turmalin, LiNbO3, LiTaO3
Aus chemischer Sicht ist Turmalin ein komplexes Aluminiumborosilicat (Na, Ca) (Mg, Fe)3 B3 Al6 Si6 (O,OH,F)31, das manchmal Li, Mn, Ti, Fe oder Cr enthält. Diese Elemente verursachen durch einen Ionen-Ladungstransfer im Wesentlichen die unterschiedlichen Farben von Turmalin. Turmalin besitzt wie Quarz eine hohe mechanische Festigkeit und einen ähnlichen Widerstand gegenüber vielen säurehaltigen und alkalischen Lösungen. Sehr reine Turmaline können sogar in Temperaturbereichen über 900°C eingesetzt werden. Der tatsächliche, technische Grenzwert liegt bei 750 - 780 °C. Turmalin zeichnet sich außerdem durch eine signifikante Pyroelektrizität aus.

Keramiken
Piezoelektrische Keramiken haben in den vergangenen Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Einer der Gründe hierfür ist ihre, im Vergleich zu Einkristallmaterialien wesentlich höhere, piezoelektrische Konstante (zwei Größenordnungen). Ein weiterer Grund findet sich in ihrer relativ einfachen Herstellungsweise durch Sinterprozesse. Piezokeramiken bestehen aus einer großen Anzahl an piezoelektrischen Kristallen mit Strukturzellen in denen elektrische Dipole ausgerichtet werden. Die einzelnen Strukturzellen sind ursprünglich zufällig angeordnet und müssen, um ein funktionsfähiges Piezomaterial zu erhalten, polarisiert werden. Typische Materialien sind PTZ (Bleizirkonittitanat Mischkeramik), Bismuthtitanat oder Bleimetaniobat. Diese Polarisierung geht mit der Zeit allerdings verloren, sodass Piezokeramiken vor allem dann eingesetzt werden, wenn die Anforderungen an die Langzeitstabilität und Präzision geringer sind.