Сегнетоэлектрики. Диэлектрический гистерезис. Темпе-ратура Кюри
Существует группа кристаллических диэлектриков, для которых характерно резкое повышение диэлектрической проницаемости в неко-торой области температур. Впервые такое поведение вещества в элек-трическом поле было обнаружено Игорем Васильевичем Курчатовым и его сотрудниками при изучении свойств сегнетовой соли (двойная на-трий-калиевая соль винной кислоты NaKC4H4O6 · 4H2O). Это и послу-жило в дальнейшем основанием для выделения специального класса диэлектриков – сегнетоэлектриков. В настоящее время известно не-сколько сотен соединений, обладающих сегнетоэлектрическими свой-ствами. Группу сегнетоэлектрических материалов существенно расши-ряют и дополняют твердые растворы на основе различных соединений. Подобные растворы часто отличаются по своим свойствам от их ин-гредиентов. Сегнетоэлектрическими свойствами обладают кристаллы некоторых фосфатов и арсенатов, нитратов и солей глицина и бетаина, нитритов, двойных и сложных окислов, других соединений, содержа-щих почти все элементы таблицы Менделеева. К этому классу веществ относятся, например, титанат бария BaTiO3, дигидроортофосфат калия KH2PO4, титанат свинца PbTiO3, ниобат калия KNbO3 и др. Сегнето-электрические кристаллы характеризуются многообразием структур-ных типов и химического состава, что свидетельствует о различии мо-лекулярных механизмов возникновения спонтанной поляризации.
Сегнетоэлектрики отличаются от остальных диэлектриков рядом характерных особенностей.
1. В то время как у обычных диэлектриков значение диэлектриче-ской проницаемости составляет несколько единиц, достигая в виде исключения нескольких десятков (у воды, например, = 81), диэлек-трическая проницаемость сегнетоэлектриков бывает порядка несколь-ких тысяч. Например, для титаната бария 2000 (при t = 120°С) и
= 6000 7000 (при t = 80°С).
2. Для сегнетоэлектриков отсутствует линейная зависимость меж-ду вектором поляризации P и вектором напряженности E электриче-
ского поля. Следовательно, диэлектрическая проницаемость (и ди-электрическая восприимчивость æ) сегнетоэлектриков оказывается зависящей от напряженности поля (рис. 2.10.1). Для остальных ди-электриков величина (и æ) не зависит от напряженности Е поля.
О Е
Рис. 2.10.1
3. Для сегнетоэлектриков характерно явление диэлектрического гистерезиса (от греч. hysteresis – запаздывание). При изменении по-ля значения поляризованноcти Р (или электрического смещения D) сегнетоэлектрика отстают от напряженности внешнего электриче-ского поля Е , в результате чего Р ( и D) определяются не только ве-личиной Е в данный момент , но и предшествующими значениями, т. е. зависят от предыстории диэлектрика (от его предшествующих состояний поляризации). При циклических изменениях поля зави-симость Р от Е изображается кривой (рис. 2.10.2), называемой пет-
лей гистерезиса.
P
2
Основная кривая
| –E *Pост | 1 | E * | E | |
| –Eк | ||||
Петля гистерезиса
3
Рис. 2.10.2
При повышении напряженности Е увеличение поляризованности Р определяется кривой 1, которая нелинейна. Если затем уменьшать Е, то имеет место «запаздывание» в уменьшении поляризованности Р (кри-вая 2). При Е = 0 поляризованность Р = Рост (остаточная поляризация).
Для снятия остаточной поляризации нужно создать электрическое поле противоположного направления (Е = –Ек – коэрцитивная сила, от лат. coercitio –удерживание).Дальнейшее уменьшение значения напря-женности приводит к возникновению поляризации противоположного направления, а последующее уменьшение модуля Е вновь характери-зуется «запаздыванием» в изменении значения Р (кривая 3). В резуль-
тате периодического изменения электрического поля Е (от Е* до Е*) кривые 2, 3 для поляризованности Р образуют характерную петлю гистерезиса. Кривая 1 называется основной кривой поляризации сегне-тоэлектрика.
4. Сегнетоэлектрические свойства сильно зависят от температуры. При температурах, превышающих определенное значение Tk , различ-ное для разных веществ, эти свойства исчезают. При достижении этой температуры имеет место превращение сегнетоэлектрика (фазовый переход) в обычный полярный диэлектрик. Указанная температура называется температурой (или точкой) Кюри (в честь французского физика Пьера Кюри). Например, для титаната бария точка Кюри ле-жит около 80°С, а для сегнетовой соли существуют две точки Кюри: +22,5 и –15°С, и сегнетоэлектрические свойства наблюдаются только при температурах, лежащих между этими точками.
5. Экспериментальные и теоретические исследования показали, что поляризация сегнетоэлектриков является следствием взаимо-действия всех молекул сегнетоэлектрика, в связи с чем диполи эле-ментарных ячеек кристалла выстраиваются в определенном направ-лении под действием внутреннего электрического поля, созданного соседними молекулами сегнетоэлектрика. При этом образуются са-мопроизвольно поляризованные области – домены, в пределах ко-торых все диполи ориентированы в одном направлении. Эта спон-танная (самопроизвольная) поляризация соответствует минимуму энергии домена.
При отсутствии внешнего поля дипольные моменты доменов расположены хаотически, и макроскопический образец сегнетоэлек-трика неполяризован (Р = 0). Если такой сегнетоэлектрик поместить во все возрастающее по модулю внешнее электрическое поле Е, то происходит переориентация доменов, отмечается преимущественное увеличение тех доменов, дипольные моменты которых ориентирова-ны в направлении поля Е, а также уменьшаются размеры доменов
с противоположной ориентацией дипольных моментов. В сильных полях наступает явление насыщения, и весь образец представляет собой один макродомен (рис. 2.10.3).
E = 0
а
E > 0
P
б
Рис. 2.10.3
E >> 0
P
в
При температуре T > Tk доменная структура разрушается.