ピエゾ抵抗効果について

質問

物体に応力を加えたときに電気抵抗が変化することをピエゾ抵抗効果というそうですが、金属および半導体におけるピエゾ抵抗効果が起こるメカニズムを教えてください。専門的内容になっても構いません。また、この場では詳しく説明できない場合は、参考書などを紹介していただいても構いません。よろしくお願いします。

回答No.2

siegmund · ベストアンサー

siegmund です．
最近難しい質問が多くて，突っ込まれるとところどころボロが出ています(^^;)．

歪みとμや n の具体的関係は高度に専門的で，この分野のプロの領域の話でしょう，
普通の物性物理学者に聞いても
詳しい返事は返って来ないのではないかと思います．
大体，標準的な物性物理学のテキスト(大学院レベル)には
まずピエゾ抵抗効果なんて載っていませんし...
私の知っていることだけ書いてご返事としたいと思います．

まず，歪みとμとの関係です．
前の回答では簡単に，歪みが起こるとイオンポテンシャルが変化して...
と書きましたが，本当は事情はもっと複雑です．
金属で原子から外殻電子が抜けますと残りが陽イオンになるわけで，
第一近似的にはそのイオンが周期的に並んでいます．
これは結晶全体に圧力がかかって圧縮されたりしても同じことです．
イオンがあると電子が動いたときにそのポテンシャルで散乱されて，
電気抵抗の原因になりそうな気がします．
ところが，固体電子論で有名なブロッホの定理というのがありまして，
ポテンシャルが完全に周期的であると電気抵抗の原因にはならないことが知られています．
では，電気抵抗の原因は何かといいますと，
不純物の存在，およびイオンの格子振動です．
不純物がポテンシャルの周期性を乱すのは明らかでしょう．
また，イオンの格子振動があればこれもポテンシャルの周期性を乱します．
常温付近ではイオンの格子振動の方が電気抵抗の主要原因です．

したがって，結晶が一様に歪むと
(ある方向にのみ歪んでも構わない -- 周期性は保たれますから)，
これが直接電気抵抗に影響するのではなくて，
格子振動の変化を通じて電気抵抗の変化(すなわちμの変化)にをもたらします．
たぶん研究はあるはずですが，私は詳しくは知りません．

もう一つ，半導体の場合の n との関係ですが，
これは物質依存性が強そうです．
つまり，バンド構造はポテンシャル変化の影響を強く受けます
(だからこそ，半導体は物質によってずいぶん性質が違う)．
特に違うバンドが重なるかどうかとフェルミ面がどこに来るかのあたりは微妙です．
実際，常圧では半導体ですが圧力をかけると金属的になるような物質は
かなりあるようです．

というわけで，具体的関係まではちょっと私の手に余ります．

お礼

詳しいご説明、ありがとうございます。
結局のところ、ピエゾ抵抗効果のメカニズムを知るということは、電気抵抗のメカニズムをかなり深く知る必要があることが分かりました。
ご回答いただいた内容を全ては理解できなかったので、このご回答をヒントにして、もう少し勉強してみます。
本当にありがとうございました。