Основные теоретические положения

 

Приборы на основе активных диэлектриков, к числу которых относятся: сегнето-; пьезо- и пироэлектрики; электреты; жидкие кристаллы; электро-, магнито-, акустооптические материалы и др., обеспечивают генерацию, усиление, модуляцию электрических и оптических сигналов, запоминание или преобразование информации.

Свойствами активных диэлектриков управляют с помощью внешних энергетических воздействий. Их строгая классификация, охватывающая многие отличительные признаки этих материалов, весьма затруднительна. К тому же резкой границы между активными и пассивными диэлектриками не существует. Один и тот же материал в различных условиях его эксплуатации может выполнять как пассивные функции изолятора или конденсатора, так и активные функции управляющего или преобразующего элемента.

В большинстве случаев активные диэлектрики классифицируются по роду физических эффектов, которые можно использовать для управления свойствами материалов. Наиболее универсальны в этом плане сегнетоэлектрики, которые сочетают в себе свойства пьезо- и пироэлектриков, электрооптических и нелинейно-оптических материалов. Они могут выступать и в качестве электретов. Вместе с тем сегнетоэлектрики обладают рядом специфических, только им присущих свойств. Важнейшим из них является спонтанная поляризация и нелинейное изменение поляризации при воздействии электрического поля или механических напряжений.

Сегнетоэлектриками называются материалы, которые обладают спонтанной поляризацией (самопроизвольной) в определённом интервале температур.

Спонтанная поляризация – поляризация, вызванная смещением частиц – ионов в ионных кристаллических решётках или полярных радикалов молекул, в отсутствие электрического поля в определённом интервале температур ниже точки Кюри Тс.

Классическими представителями сегнетоэлектриков являются дигидрофосфат калия (KH₂PO₄), нитрат натрия (NaNO₂), соединения типа АВО₃, где А – двухзарядные катионы (Ba, Ca, Pb, Zr), B – четырехзарядный катион (Ti), триглицинсульфат ((NH₂CH₂COOH)₃ · H₂SO₄), сегнетова соль (NaKC₄H₄O₆ · 4H₂O) и др.

Соединения типа АВО₃ имеют структуру перовскита, представленную на рис. 22. Она характеризуется трехмерным каркасом из октаэдров ВО₆, внутри которых находятся катионы В. В пустотах между октаэдрами располагаются крупные катионы А. Причина появления сегнетоэлектрических свойств заключается в том, что центры тяжести ионов титана смещены относительно геометрических центров кислородных октаэдров, что создает электрическую декомпенсацию подрешеток положительно и отрицательно заряженных ионов.

Характерные свойства впервые обнаружены у сегнетовой соли – это натриево-калиевая соль виниловой кислоты (NKC₄H₄O₄ · 4H₂O).

Ионные сегнетоэлектрики имеют структуру элементарной ячейки перовскита (CaTiO₃). К ним относятся титанат бария BaTiO₃, титанат свинца PbTiO₃ и др. Все химические соединения этой группы нерастворимы в воде и обладают значительной механической прочностью. Изделия из них получают по керамической технологии.

 

– А, – В, – О

Рис. 22. Структура типа перовскита

 

Элементарная ячейка титаната бария при высоких температурах имеет форму куба, в узлах которого расположены ионы бария, в серединах граней – ионы кислорода, образуя кислородный октаэдр, в центре – ион титана (рис. 23,а).

 

а	Ион бария Ион кислорода   Ион титана
б в

Рис. 23. Элементарная ячейка титаната бария (а) и её проекции (б) и (в) выше и ниже температуры Кюри

 

В результате теплового движения ион титана равновесно находится вблизи каждого иона кислорода, следовательно, электрический момент ячейки ввиду её симметричности равен нулю. При понижении темперы ниже точки Кюри, ион титана, благодаря энергии теплового движения, оказывается вблизи ионов кислорода. В этом же направлении смещаются ионы бария. Ион кислорода, находящийся напротив, смещается в противоположном направлении. В результате этих смещений ионов кубическая решётка незначительно деформируется в тетрагональную, что приводит к образованию значительного электрического момента (см. рис. 23, б, в). Возникает спонтанная поляризация, в результате которой ячейки с одинаково направленными электрическими моментами образуют небольшие объёмы – домены.

Домен – это совокупность элементарных ячеек, имеющих общий вектор спонтанной поляризации. Вектора различных доменов имеют различную направленность, поэтому суммарно поляризация всего образца равна нулю.

Таким образом, сегнетоэлектрики обладают, наряду с линейными видами поляризации (электронной и ионной), спонтанной поляризацией, которая проявляется в определенном температурном интервале ниже точки Кюри T_С. Направление спонтанной поляризации может быть изменено с помощью внешнего электрического поля или механических воздействий.

Поляризованное состояние сегнетоэлектриков является неравновесным и метастабильным. Со временем остаточная поляризация постепенно уменьшается по экспоненциальному закону из-за разориентации направлений поляризации и изменения доменной структуры:

P_ост = P₀ exp ( ), (3.1)

где Р₀ – остаточная поляризация в момент времени t = 0; – время релаксации поляризации, которое у сегнетоэлектриков составляет несколько десятков лет.

В переменных полях у сегнетоэлектриков наблюдается явление диэлектрического гистерезиса, т.е. отставание изменения электрической индукции (смещения) D от напряженности электрического поля E. Гистерезисный цикл является следствием доменного строения сегнетоэлектриков. Ориентация доменной структуры в направлении электрического поля требует затрат электрической энергии, что указывает на дополнительный механизм диэлектрических потерь. Величина потерь на гистерезис характеризуется площадью предельного гистерезисного цикла, показанного на рис. 24.

Если кристаллический образец поместить в электрическое поле, то векторы дипольных моментов отдельных доменов начнут ориентироваться в направлении силовых линий поля. Зависимость поляризованности Р от напряжённости внешнего электрического поля Е в сегнетоэлектриках нелинейная и при циклическом изменении напряжённости поля имеет вид характерной кривой – петли гистерезиса.

Основные параметры, характеризующие предельный цикл петли гистерезиса: ± P_s, ± P_r – спонтанная и остаточная поляризации на обкладках конденсатора при значении напряженности электрического поля ±E_s и при снятии внешнего поля E = 0 соответственно; ± E_c – коэрцитивная сила (коэрцитивное поле), т.е. напряженность поля, при которой заряд (поляризация P) становится равным нулю. Диэлектрическая проницаемость e сегнетоэлектриков достигает десятков тысяч единиц.

Приложение электрического поля к многодоменному образцу сегнетоэлектрика вызывает вначале рост его поляризации по закону, близкому к линейному, так как слабые электрические поля не приводят к росту зародышей доменов с направлением Р, совпадающим с направлением поля. При дальнейшем увеличении Е начинаются процессы роста зародышей доменов и переориентации диполей, приводящее к интенсивному росту поляризации. При достижении некоторой величины напряженности поля (E_s) все домены оказываются ориентированными в направлении поля. Дальнейший рост поляризации, с увеличением поля происходит линейно за счет электронной и ионной составляющих поляризации. При уменьшении напряженности поля до нуля переориентации диполей не происходит и сохраняется остаточная поляризация P_r. Обратная переориентация диполей начинается только при Е < 0, что приводит к уменьшению поляризации до нуля ( -E_c). Дальнейшее увеличение поля вызывает полную переориентацию диполей. При завершении периода изменения электрического поля завершается и гистерезисный цикл (рис. 24).

Для характеристики свойств сегнетоэлектриков в различных условиях работы используют следующие определения диэлектрической проницаемости:

– статическая диэлектрическая проницаемость:

 

(3.2)

где D, Кл/м², E, В/м – координаты точек основной кривой поляризации (см. пунктирную линию на рис.23); e₀= 8,85^.10¹² Ф/м – диэлектрическая постоянная;

D (Q) Ps Pr Es Ec Ec Es E (U) Pr Ps

Рис. 24. Петля гистерезиса

 

– дифференциальная диэлектрическая проницаемость:

, (3.3)

– реверсивная диэлектрическая проницаемость e_p, характеризующая изменение поляризации сегнетоэлектрика в переменном электрическом поле при одновременном воздействии постоянного поля.

В линейных диэлектриках перечисленные виды диэлектрических проницаемостей не зависят от напряженности электрического поля и равны между собой:

. (3.4)

Для сегнетоэлектриков характерны большая (до несколько тысяч) диэлектрическая проницаемость и её зависимость от температуры. Диэлектрическая проницаемость достигает максимального значения при температуре Кюри (точка кюри), при которой спонтанная поляризация исчезает, сегнетоэлектрик теряет свои свойства (см. рис. 25).

Нелинейная зависимость – ниже точки Кюри

 

Линейная зависимость – точка Кюри

 

Линейная зависимость – выше точки Кюри

Рис. 25. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры

Основные свойства и применение сегнетоэлектриков приведены в таблице 6.

При температурах выше точки Кюри происходит распад доменной структуры и сегнетоэлектрик переходит в параэлектрическое состояние, где спонтанная поляризация отсутствует.

 

Таблица 6

Свойства и применение сегнетоэлектриков