SE531313C2 - Piezokrom komposit - Google Patents

Description

25 30 531 313 2 drar nytta av att spinnövergångsföreningen uppvisar olika optiska egenskaper beroende på det dominerande spinntillståndet i föreningen. När det gäller piezoelektriska material utgörs dessa av material som kan påverkas mekaniskt med hjälp av elektriska spänningar, till exempel medför elektriska spänningar som pàläggs materialet att materialets kristallstruktur förändras varvid materialet expanderar eller kontraherar. Föreliggande uppfinning avser att tillhandahålla en komposit bestående av en matris av ett optiskt transparent piezoelektriskt material som innehåller en spinnövergångsförening som uppvisar olika optiska egenskaperi dess olika spinntillstànd samt även en anordning som inbegriper denna komposit det möjligt att styra och som tillhandahåller en mekanism som gör spinnövergångarna i materialet. Allmänt sett sker spinnövergàngar som följd av att spinnövergångsföreningen utsetts för temperaturförändringar. Notationen Tyzu för den kritiska temperaturen kommer att användas, notationen är avsedd att spegla att det ofta finns tvà kritiska temperaturer för en spinnövergàng. Enbart en pil uppåt avser omslag för spinn till högspinntillstándet emedan en pil neråt avser omslag för spinn till lågspinntillstàndet. Spinnövergàngar kan dock även inträffa som följd av att materialet utsätts för tryckförändringar, att materialet bestrålas eller att det utsätts för ett pålagt magnetfält. Anordningen enligt patentkraven 4 eller 5 i föreliggande uppfinning utnyttjar att spinnövergångstemperaturen för ett specifikt material kan skiftas med hjälp av en tryckförändring, och därmed kan en sådan anordning användas för att styra spinnövergångarna i materialet genom att styra detta temperaturskifte. Detta skifte av den kritiska temperaturen kan ses som att den kritiska temperaturen beter sig som en parameter som beror av det trycktillstànd som materialet befinner sig i.

Hur styrningen av spinnövergångarna gär till kan kortfattat beskrivas med hjälp av följande steg (i den beskrivna processen antas det att en konstant temperatur föreligger i den lokala omgivningen, där denna temperatur ligger över den initiala kritiska temperaturen eller, som alternativ, att anordningen försetts med en temperaturstabilisator som håller kompositen vid en konstant temperatur som ligger över den initiala kritiska temperaturen för spinnövergàngsföreningen): i) Partiklar av spinnövergàngsföreningen bäddas in i en matris av ett optiskt transparent piezoelektriskt material; ii) Matrisen av detta piezoelektriska material förses med elektroder som via ledningar är anslutna till en extern spänningskälla; 10 15 20 25 30 35 5131 313 3 iii) När spänning som alstras i den externa spänningskällan överförstill elektroderna i matrisen medför detta att det piezoelektriska materialet kontraherar vilket leder till att spinnövergángspartiklarna utsätts för en tryckförändring (en tryckhöjning), denna tryckförändring leder nu till att den kritiska skiftas uppåt, Tyzri f* TÅ: >Ty2ri temperaturen för materialet iv) När den kritiska temperaturen, som nu skiftas uppåt som följd av det pålagda trycket, passerar den faktiska temperaturen i omgivningen T., vilken initialt ligger över den kritiska temperaturen, medför detta att spinnövergångsföreningen skiftar spinntillstånd.

Själva styrningen av spinntillståndsövergången erhålles nu genom att styra den pàlagda spänningen för att medelst tryckförändringar påverka skiftningen av den kritiska temperaturen. Mer om detta följeri avsnittet om föredragna utföringsformer.

Figurer I ritningarna återger: Flg.1 diagram som visar pàlagd elektrisk spänning per meter piezokrom komposit mot mekanisk spänning för en partikel av en spinnövergångsförening inbäddad i ett piezoelektriskt matrismaterial.

Fig.2 en möjlig utföringsform av den piezokroma anordningen enligt föreliggande uppfinning, Fig.3 en annan föredragen utföringsform av anordningen enligt föreliggande uppfinning där anordningen även inbegriper en temperaturstabiliserande inneslutning som givits beteckning 6.

Fig.4 en kurva som schematisk (och linjärt) visar hur den kritiska temperaturen förskjuts uppåt och förbi den temperatur som råder i den lokala omgivningen.

Spinnövergången sker då T passerarT.. KurvanT som funktion av P är här yzi .f yzi given som en linjär kurva. Det är dock möjligt att tryckberoendet för vissa material är av icke-linjär natur och det kan behövas mätningar för att fastställa den exakta relationen. Det kan förutses att icke-linjära relationer kan vara att föredraga i vissa tillämpningar då detta skulle medföra att en mindre tryckförändring leder till att den 10 15 20 25 30 53? 313 4 kritiska temperaturen stiger snabbare än vid en linjär relation. Detta kan medföra en fördel om man vill undvika att lägga pà alltför stora elektriska spänningar över kompositen.

Fig.5 hur en anordning enligt en specifik utföringsform av föreliggande uppfinning används som del i ett optiskt filter Fig.6 återger en variant av anordningen enligt figur 5.

Föredragna utföringsformer Med hänvisningar till figurerna kommer nu ett antal föredragna utföringsformer av anordningen enligt uppfinningen att beskrivas. Med hänvisning till figur 2, vilken figur återger en schematisk skiss av en piezokrom anordning enligt patentkrav 4, betecknar referensbeteckning 1 en partikel av en spinnövergångsförening, referensbeteckning 2 avser en matris av ett optiskt transparent piezoelektriskt material, referensbeteckning 3 avser elektroder anordnade på en rand till matrisen, referensbeteckning 4 avser den externa spänningskällan och referensbeteckning 5 avser elektriska ledningar som löper mellan spänningskällan och elektroderna i matrisen. Denna typ av anordning möjliggör inte någon kontrollerbar påverkan av spinnövergàngarna. Anledningen till detta är att temperaturinducerade spinnövergàngar hos partiklarna sker vid splnnövergàngstemperaturerna (det föreligger, som tidigare nämnts, en sådan temperatur för omslag till lågspinntillstàndet och en för omslag till högspinntillstándet, där den senare temperaturen är högre) därmed kommer spinnövergångar enbart att kunna erhållas vid dessa specifika temperaturer. Nedan ges en tabell som exempliflerar nâgra olika optiska egenskaper i olika spinntillstànd och, i vissa fall, deras motsvarande spinnövergångstemperaturer. spinnövergàngsföreningar som uppvisar Temperaturerna anges för att visa vilka temperaturer det kan röra sig om. Det är dock enkelt att fastställa den kritiska spinnövergàngsförening. Till exempel kan man nyttja ett oljebad och variera temperaturen för en given temperaturen och undersöka när det sker en förändring av de spektrala optiska egenskaperna: 10 15 20 531 313 Spinnövergångsföreningar Te rTv-p Tm (vid 1 atm) Kelvin Fe(phen)2(NCS)2 T==176 K [Fe(btr)2(NCS)2]-H2O Tm=144 K, Tm=121 K Fe-(4~Amino-1,2,4-triazo|)3(BF4)2 Tm=322 K.

T«,5_L=3O8 K Fe(hyptrz)3(4-chlorobenzenesuifonateh-H20, där hyptrz = 4-(3'- ca 180 K hydroxpropyl)-1,2,4-triazoie Fe(PM-Bia)2(NCS)2, där PM-Bia = N-(2'-pyridy|-methy|ene)-4- ca 170 K amino-bi-phenyl Fe(PM-Aza)2(NCS)2, där PM-Aza = N-(2*-pyridyl-methylene)-4- ca 200 K (azophenybaniline TABELL 1.

Förutom de ovan givna föreningarna finns det ett antal olika kända spinnövergàngsföreningar som uppvisar de för uppfinningen efterfrågade egenskaperna, till exempel: Fe(PtZ)s(BF4)2 i [Fe(Atrz)3](NO3)2-nH_-¿O, där Atrz = 4-amino-1,2,4-triazo|e; Fe(phy)2(BF4)2 , där phy = 1,10-phenanthroiine-Z-carbaidehydephenylhydrazone) Fe(pyrazine)[M(CN)4]-2H2O , där M = Ni, Pd; [FexNi1-x(btf)2(NCS)2]' H2Û§ [Cri2(depe)2], där depe = 1,2-bis(diethytphosphino)ethane; [Fe(mtz)6](BF4)2, där mtz = 1-methyl-tetrazole; Fe(abpt)2(NCS)2, där abpt = 4-amino-3,5-bis(pyridin-2-y|)-1,2,4-tríazoIe; [Fe(bpb)2 (NCS) 2 ]-O.5MeOH, där bpb = 1,4-bis(4-pyridy|)butadiyne; Fe(pz)2[M(CN)4]-2H2O, där pz = pyrazine, M = Ni, Pd, Pt; Fe(4,4'-bipy)2[Ag(cN)2]2, där bipy = bipyridine; Fe(bpe)2[Ag(CN)2]2, där bpe = trans-1,2-Bis(4-pyridy|)ethy|ene 10 15 20 25 30 35 531 313 Ovan givna tabell och efterföljande exempelgivna spinnövergångsföreningar är ingen fullständig uppräkning av de tillgängliga spinnövergàngsföreningarna som uppvisar de efterfrågade egenskaperna utan är bara ett urval av dessa. Dock anses alla upptänkliga former av spinnövergängsföreningar som uppvisar de för uppfinningen nödvändiga egenskaperna, det vill säga, har olika spektrala optiska egenskaper i de olika spinntillstånden, täckas in i termen spinnövergàngsföreningar i de bifogade patentkraven. Även det piezoelektriska materialet skall uppvisa vissa egenskaper för att uppfinningen skall fungera. Huvudsakligen skall det piezoelektriska materialet vara optiskt transparent eller åtminstone delvis optiskt transparent, det sistnämnda kan vara att föredra om man skall använda kompositen eller anordningen enligt uppfinningen som del i en optisk display. Nedan ges nägra exempel på sådana optiskt transparenta piezoelektriska material. Denna lista är inte uttömmande utan ger bara enstaka exempel. Vilket piezoelektriskt material som helst vilket är optiskt eller delvis optiskt transparent antas falla under omfånget för de bifogade patentkraven.

Möjliga piezoelektriska material som kan användas som del i kompositen: BaTi03 , Pb(ZrxTi1_X)03(PZT - SH, PZT - 5A) , (CH ZCFZ ),, (polyvinylidindifluorid, PVDF).

Det är möjligt att använda en anordning enligt patentkrav 4 som del av en temperatursensor som reagerar vid ett visst tröskelvärde. Detta tröskelvärde kommer att i allt väsentligt att överensstämma med spinnövergàngsföreningens kritiska temperatur. Vid användning av en anordning enligt figur 2 som utgörandes del av en temperatursensor kommer en väl avvägd spänning att ligga över kompositen av piezoelektriskt material och spinnövergàngspartiklar. Partiklarna kommer initialt att befinna sig i ett specifikt spinntillstånd med de optiska egenskaper som föreningen uppvisar i detta tillstånd. När sedan temperaturen närmar sig föreningens kritiska temperatur och överskrider denna kommer det att ske en spinnövergång iföreningen vilket medför att dess optiska egenskaper förändras. Denna förändring kan sedan detekteras med för detta avsedda organ och en signal kan skapas som följd. Denna signal kan sedan moduleras och på olika sätt bearbetas för att sändas iväg och upplysa användaren om att temperaturtröskelvärdet uppnåtts/överskridits. 10 15 20 25 30 531 313 För att överkomma problemet med att erhålla styrbara spinnövergångar utan att drabbas av spontana temperaturinducerade spinnövergångar kan en annan föredragen utföringsform av uppfinningen användas. För denna utföringsform hänvisas till figur 3 som återger en piezokrom anordning enligt patentkrav 5. Denna anordning är förutom de ingående delar som beskrevs i hänvisningen till figur 1 även försedd med en temperaturstabiliserande anordning 6 som innesluter piezokromkompositen och de på denna anordnade elektroderna. Företrädesvis externt temperaturstabiliseringsanordningen. temperaturstabiliserande anordning blir det nu möjligt att påverka spinntillstånden i den piezokroma kompositen oavsett vilken yttre temperatur anordningen befinner sig anordnas spänningskällan även med avseende pà Genom att använda en sådan i. Grundtanken här är att kompositen skall uppleva en faktisk temperatur Tf som är något högre än den kritiska temperaturen. Därmed kommer ett ökat tryck i kompositen medföra att den kritiska temperaturen förskjuts uppåt vilket leder till att den faktiska temperaturen i omgivningen passeras och, som följd av detta, att spinnövergångsföreningen i kompositen växlar spinntillstånd. Sådana temperaturstabiliserande anordningar som nyttjas i denna utföringsform är allmänt kända och kommersiellt tillgängliga och kommer därmed inte att beskrivas närmare här.

Tack vare användningen av en temperaturstabiliserande anordning blir det nu möjligt att påverka spinnövergångsförenlngens optiska egenskaper genom att lägga en spänning över elektroderna i matrisen. Några» applikationer för en anordning enligt patentkrav 5 kommer att beskrivas i nästa avsnitt. Den spänning som är nödvändig för att förändra ett materials spinntillstånd är materialberoende och behöver mätas upp i det fall att de inte finns omnämnda i någon handbok. Som ett exempel på storleksordningar på spänningen kan man betrakta figur 1, i denna figur plottas den mekaniska spänningen i ett piezoelektriskt material mot den pålagda elektriska spänningen. l denna kurva är en partikel' simulerad och man kan se att spänningskravet nästan är linjärt med avseende på den mekaniska spänningen.

Följaktligen krävs det att en hög elektrisk spänning läggs över matrisen om det krävs en hög kontraktion i ett högt tryck för att kompositen eller, ekvivalent, spinnövergångspartiklarna skall skifta spinntillstånd. 10 15 20 25 30 35 53? 373 Applikationer I det som följer kommer ett antal olika applikationer av anordningen enligt uppfinningen att beskrivas. Även om det enbart kommer att beskrivas ett mindre antal explicita applikationer kan det förutses att det för en fackman är möjligt att finna ytterligare applikationer där de explicita egenskaperna som följer av uppfinningen eftersöks. Sådana ytterligare applikationer där de beskrivna egenskaperna hos uppfinningen nyttjas anses falla inom omfånget för uppfinningen såsom denna definieras i patentkrav 1.

Som en första applikation av uppfinningen kommer användningen av anordningen som del av en temperatursensor att beskrivas i större detalj. Med en konventionell temperatursensor avses vanligen ett element som registrerar temperaturen i dess omgivning, inte sällan med hjälp av att konduktiviteten hos ett material varierar med temperaturen, och sedan avger någon form av signal som upplyser en användare om temperaturen. Det finns en uppsjö av möjligheter att anordna en sådan sensor och många av dessa varianter fungerar kontinuerligt över ett tämligen brett temperaturintervall. När det gäller den föreliggande uppfinningen kan man förutse två olika sätt att använda anordningen som del av en temperatursensor. För båda dessa applikationer avses en piezokrom anordning enligt patentkrav 4. För det första kan anordningen användas, som tidigare nämnts, som en tröskeltemperatursensor där den kritiska temperaturen för spinnövergångsföreningen avlåses genom att splnnövergàngsförenlngens optiska egenskaper förändras då denna temperatur uppnås och passeras, vilket kan ske från en initial temperatur som antingen ligger över eller under den kritiska temperaturen. När denna kritiska temperatur passeras kan man registrera de förändrade egenskaperna som spinnövergångsföreningen uppvisar för att sedan sända någon form av signal som upplyser om att temperaturen uppnåtts. För det andra kan en piezokrom komposit enligt patentkrav 1 användas som del i en mer aktiv temperatursensor om man adderar elektroder till kompositen och sedan ansluter en spänningskälla till dessa elektroder. l detta fall kan man, genom att utföra små förändringar av den spänning som läggs över elektroderna på kompositen, aktivt söka efter rådande temperatur. Återigen nyttjas att spinnövergången medför att materialet erhåller förändrade optiska egenskaper. ligger spinnövergångsföreningens kritiska temperatur, skulle en försiktig variation av Till exempel, givet att omgivningstemperaturen över spänningen vid omgivningens konstanta temperatur medföra att en spinnövergång för spinnövergångsföreningen sker vid en specifikt pålagd spänning. Den aktuella 10 15 20 25 30 53% 313 9 och eftersökta temperaturen i omgivningen motsvaras då av det skifte av den kritiska temperaturen som denna pàlagda spänning medfört.

Som en andra applikation av den piezokroma anordningen enligt föreliggande uppfinning hänvisas tiil figur 5 som schematiskt återger användning av en anordning enligt patentkrav 5. Denna applikation avser användning av uppfinningen som del av ett styrbart och vàgiängdsselektivt optiskt filter. Applikationen illustreras i figurer 5 och 6. Den ytterligare komponent som behöver adderas till anordningen enligt patentkrav 4 för att erhålla den enklaste typen av system för ett styrbart filter är styrelektronik 9 som är kopplad till det filter 10 som skall filtrera pulserna.

Styrelektronlken 9 är anordnad att förändra den elektriska spänningen över filterkomponenten som inbegriper en piezokrom komposit enligt patentkrav 1. Vid användning kommer filtret 10 att växla optiskt tillstànd, som följd av spinnövergången i kompositen, fràn transmitterande till absorberande tillstånd. Följaktligen har man erhållit ett styrbart optiskt filter. Självklart måste spinnövergångsföreningen vara vald så att det kan absorbera den våglängd som önskas. För att överkomma de begränsningar det sista medför kan man förutse en variant av denna applikation där ett antal olika piezokroma kompositer utnyttjas. För denna applikation hänvisas till figur 6, vilket ger ett flltersystem enligt figur 5 men där det enda filtret 10 i den förra applikationen nu har ersatts med tre olika filter där alla dessa uppvisar olika optiska egenskaper. De olika optiska egenskaperna erhålls genom att använda spinnövergångsföreningar som absorberar i olika våglängdsintervall. Funktionen i denna applikation erhålls i enlighet med den tidigare beskrivna applikationen med den skillnaden att styrelektroniken enbart aktiverar den filterkomponent som filtrerar bort den önskade våglängden. l allmänhet kan en applikation som denna nyttja ett mycket stort antal filter där alla dessa utgörs av piezokroma kompositer som absorberar ljus i olika våglängdsintervali.

Slutligen kan man även förutse en användning av en piezokrom anordning enligt patentkrav 5 som utgörandes del av en optisk display.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 35 531 313 10 Patentkrav

1. Piezokrom komposit k ä n n e t e c k n a d av att den inbegriper ett antal partiklar av en spinnövergångsförening inbäddade i en matris av ett åtminstone delvis optiskt transparent piezoelektriskt material, nämnda' spinnövergàngsförening uppvisar olika optiska egenskaper i dess olika spinntillstànd. Piezokrom komposit enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att det piezoeíektriska materialet valts ut från gruppen bestående av BaTíOy Pb(ZrxTi,_x)O3 (PZT - SH, PZT - 5A), PvDF). (CH ZCFZ )n (polyvinylidindifluorid, Piezokrom komposit enligt patentkrav 1-2 k ä n n e t e c k n a d av att partiklarna av en spinnövergàngsförening valts från gruppen bestående av: Fe(Pt2)s(BF4)2š [Fe(Atrz)3](NO3)2-nH2O, där Atrz = 4-amino-1,2,4~triazole; Fe(phy)2(BF4)2, där phy = 1,10-phenanthroline-2- carba|dehydephenylhydrazone); Fe(pyrazine)[M(CN)4]-2H2O, där M = Ni, Pd; [Fe, bisüsliethyiphosphino)ethane; [Fe(mtz)6](BF4)2, där mtz = 1-methyl-tetrazole; Fe(abpt)2(NCS)2, där abpt = 4-amino-3,5-bis(pyridin-2-yl)-1,2,4-triazole; [Fe(bpb)2(NCS)2]-O.5MeOH, där bpb = 1,4-bis(4-pyridyl)butadiyne; Fe(pz)2[M(CN)4]-2H2O, där pz = pyrazine, M = Ni, Pd, Pt; Fe(4,4'- bipy)2[Ag(CN)2]2, där bipy = bipyridine; Fe(bpe)2[Ag(CN)2]2, där bpe = trans-t,2-Bis(4-pyridyl)ethylene; Fe(phen)2(NCS)2 [Fe(btf)2(NCS)2]'H2Û§ Fe-(4-Amino-1,2,4-triazoI)3(BF4)2; Fe(hyptrz)3(4-chlorobenzenesulfonateß-H20, där hyptrz = 4-(3'- hydroxpropyl)-1,2,4~triazole; Fe(PM-Bia)2(NCS)2, där PM-Bia = N-(2'-pyridyl-methyiene)-4-aminc-bi- 10 15 20 25 53% 313 11 phenyl; Fe(PM-Aza)2(NCS)2, där PM-Aza = N-(2'-pyridy|-methy|ene)-4- (azophenyl)ani|ine. Piezokrom anordning k ä n n e t e c k n a d av att nämnda anordning dels inbegriper en piezokrom komposit enligt patentkrav 1-3, dels elektrocler vilka är anordnade på nämnda piezoelektriska matris och som via elektriska ledningar kan anslutas till en från nämnda matris extern anordnad spânningskälla. Piezokrom anordning enligt patentkrav 4 k ä n n e t e c k n a d av att den vidare inbegriper en temperaturstabiliserande anordning, nämnda temperaturstabiliserande anordning är så anordnad relativt matrisen att den tiil matrisen externa spänningskällan även är extern med avseende på den temperaturstabiliserande anordningen. . Användning av en piezokrom anordning enligt patentkrav 5 som del i ett styrbart optiskt filter. . Användning av en piezokrom anordning enligt patentkrav 4 som del i en temperatursensor för avläsning av temperaturtröskelvärden. _ Användning av en piezokrom anordning enligt patentkrav 5 som utgörandes del i en optisk display.