Властивості сегнетоелектриків

Розгляд сегнетоелектриків як діелектриків, що відрізняються нелінійною залежністю поляризації від напруженості поля; їх лінійні і нелінійні властивості. Характеристика основних груп сегнетоелектриків і антисегнетоелектриків: киснево-октаедричні і водневі.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Зміст

Вступ

Розділ 1. Властивості сегнетоелектриків

1.1 Загальні відомості про сегнетоелектрики

1.2 Діелектричні властивості сегнетоелектриків

1.3 Електропровідність сегнетоелектриків

1.4 Бар'єри в сегнетоелектриках

1.5 Сегнетоелектрики і антисегнетоелектрики

Розділ 2. Практичні застосування сегнетоелектриків

2.1 Управління властивостями

2.2 Лінійні властивості

2.3 Нелінійні властивості

2.4 Застосування в обчислювальній техніці

Висновок

Список використаної літератури

Вступ

сегнетоелектрик діелектрик поляризація напруженість

Більшість діелектриків мають здатність до поляризації тільки у зовнішньому електричному полі, однак деякі за його відсутності виявляють макроскопічну поляризованість. Це спонтанно (лат. spontaneus - самодовільний) поляризовані діелектрики, поляризація яких викликана не зовнішніми діями, а внутрішніми причинами. До таких діелектриків належать піроелектрики та їх підклас і сегнетоелектрики. Термін "сегнетоелектрики" походить від назви кристала "сегнетова сіль", хімічна формула якого NaKC4H4O•4H2O, у ньому в 1921 році чеський вчений Дж. Валашек вперше виявив нелінійні електричні властивості. Крім сегнетової солі до сегнетоелектриків належать титаном барію, дигідрофосфат калію, тригліцинсульфат, SbSI, Sn2P2S6 та ін.

Сегнетоелектрики ? кристали, здатні мати у певному температурному інтервалі спонтанну поляризацію Ps, напрям якої може бути змінений зовнішнім електричним полем. У літературі ці матеріали ще називають фероелектриками за аналогією з феромагнетикими.

Спільні властивості сегнетоелектриків такі:

1) Наявність спонтанної поляризації Ps у певному діапазоні температур, яка може бути переорієнтована зовнішнім електричним полем ;

2) Нелінійна гістерезисна залежність поляризації P від поля E ;

3) Діелектрична проникність е в полярній фазі поблизу фазового переходу досягає великих значень, аж до

4) Величина діелектричної проникності е сильно залежить від напруженості електричного поля E ;

5) наявність доменної структури при температурах нижче температури фазового переходу ;

6) великі значення піроелектричних коефіцієнтів та п'єзоелектричних модулів.

Розділ 1. Властивості сегнетоелектриків

1.1 Загальні відомості про сегнетоелектрики

Сегнетоелектриками називаються особливий вид діелектриків, що відрізняється нелінійною залежністю поляризації від напруженості поля, що є наслідком наявності в них електричних доменів. При розгляді ефекту Ганна застосовувався термін "електростатичні домени", під якими мають на увазі області сильного електричного поля. Але електростатичні домени відрізняються від електричних доменів, характерних для сегнетоелектриків. В останньому випадку домени - це області мимовільної (спонтанної) поляризації (порядку 10^-2--10^-4 см), аналогічні магнітним доменам у феромагнетиках.

Свою назву сегнетоелектрики отримали від назви мінералу - сегнетової солі (NaKC4H4O64H2O), для якої зазначені властивості були виявлені вперше. Властивості сегнетової солі були детально досліджені в роботах академіка І. В. Курчатова і П. П. Кобеко.

Найбільш поширеним сегнетоелектриків є метатітанат барію ВаТiO3. Вперше виявлено та досліджено сегнетоелектричні властивості метатітаната барію в 1944 р. академіком Б. М. Вулом. Часто ВаТiOз називають скорочено титанат барію.

Крім сегнетової солі і титанату барію, налічується близько 290 індивідуальних сполук і більше 1500 матеріалів - твердих розчинів, що мають сегнето-або антисегнетоелектрическими властивостями. Під антисегнетоелектриками мають наувазі речовини, в яких спонтанна поляризація виникає в двох або більше підрешітках, так що всередині кожного домена спостерігається взаємна компенсація електричних моментів, тобто результуюча спонтанна поляризація виявляється рівною нулю. Тим не менш антисегнетоелектрики відрізняються від лінійних діелектриків, оскільки вони мають спонтанну поляризацію і розбиті на домени.

Всі сегнето-і антісегнетоелектрікі можна поділити на дві групи:

1) киснево-октаедричні або близькі до них, де сегнетактивний іон знаходиться, усередині кисневого октаедра;

2) водневі або близькі до них, де виникнення сегнетоелектричних властивостей пов'язано з переміщенням протонів у водневих зв'язках, з обертанням груп і т. д.

1.2 Діелектричні властивості сегнетоелектриків

При постійній температурі зразка зв'язок між вектором електростатичної індукції D і напруженістю зовнішнього поля е для сегнетоелектриків нелінійна (рис. 1), тобто діелектрична проникність е є функцією напруженості поля Е. Загальне співвідношення між зазначеними величинами виражається відомою формулою:

D = ее0E. (1)

Рис. 1 Основна крива поляризації, яка виражається зв'язком між D и е в сегнетоэлектриках

Однак тут е не є постійною величиною. Зокрема, можна визначити початкову ен, деяку середню еср і максимальну еmax діелектричні проникності:



Основну криву поляризації (рис.1) отримують при збільшенні Е від нуля до заданого значення на попередньо деполяризованої зразку.

Характерною особливістю сегнетоелектриків є велика величина діелектричної проникності в слабких полях. У сильних полях Е> Еmax спостерігається зменшення е, що пов'язано із закінченням процесу поляризації доменів. Наприклад, на рис. 2 наведено криві е = f (E) при різних температурах для метатітаната барію. З малюнка видно, що при T = 22 °С спочатку спостерігається зростання е, а потім деякий спад. При Т == 130 °С величина е не залежить від поля в результаті руйнування доменної структури. Точка Кюрі ВаТiO3 відповідає 120 °С. В інтервалі 0 - 120 °С осередок ВаТiOз тетрагональний, при 120 °С відбувається фазовий перехід і тетрагональний осередок перетворюється в кубічний, так що при 130 °С він вже кубічний, а домени руйнуються за рахунок теплового руху. При 0 °С для ВаТiOз спостерігається другий фазовий перехід і осередок з тетрагонального перетворюється на ромбічний, а в інтервалі - (70 - 90) °С - фазовий перехід, при якому осередок перетворюється в моноклінний або тріклінний. Але ці фазові переходи не руйнують доменну структуру, хоча вектори спонтанної поляризації змінюють свій напрямок. У тетрагональної комірки, яка слабо відрізняється від кубічної, ставлення осей с / а = 1,01 і вектор спонтанної поляризації спрямований вздовж осі с. Нижче 0 ° С для ромбічної решітки вектор спонтанної поляризації спрямований вздовж діагоналі осередків. Після наступного фазового переходу вектор спонтанної поляризації спрямований уздовж об'ємної діагоналі.



Рис.2. Залежність діелектричної проникності метатитаната барія від напруженності зовнішнього електричного поля при різних температурах

Крім значень ен і еmax, які зазвичай визначають для сегнетоелектриків, знаходять також диференціальну відносну діелектричну проникність

(3)

Очевидно, що хід кривої едиф = f (E) буде відрізнятися від ходу е = f (E). Якщо спочатку створити досить сильне поле E, так що буде справедлива нерівність Е> Еmax, а потім зменшувати постійне поле по величині, то зміна D буде відставати від зміни E, тобто буде спостерігатися гістерезис (рис. 3). Величина Dr, є залишковою індукцією, а напруженість поля Ec називається коерцитивним полем. Крім повної петлі гістерезису, відтинає на осях величини Dr та Ес, можна отримувати і приватні цикли петель гістерезису, які відповідають меншому розмаху змін D і Е

Рис.3. Петля гістерезису сeгнетоелектрика (пунктиром показана оснвна крива поляризації)

За петлям гістерезису можна визначати, реверсивну діелектричну проникність ер, яку знімають при постійному uо. u' на малому змінному сигналі. У залежності від величини напруженості постійного поля зсуву реверсивна діелектричним проникність виходить різною (рис. 4). Цим користуються для управління ємністю в спеціальних сегнетоелектричних конденсаторах - варікодах.

Рис. 4. Реверсивна діелектрична проникність:

а -- в титаниті барія при змінному полі 1 кВ/см (крива 1) та 0.2 кВ/см (крива 2); б -- в сегнетоелектриці ВК-1 при змінному полі 1 кВ/см (крива 1) та 0,1 кВ/см (крива 3 ) (по горизонталі)

При зміні температури зразка діелектрична проникність сегнетоелектриків змінюється. Хід кривої е = f (T) залежить від напрямку поля по відношенню до сегнетоелектричної осі.

Як зазначалося, в тетрагональномо осередку ВаТiO3 сегнетоелектрична вісь спрямована вздовж осі с. Перпендикулярне їй направлення позначають через а. Діелектрична проникність є тензором, і для ВаТiOз найбільші зміни в районі фазових переходів спостерігаються для компонента еa (рис. 5). Але в точці Кюрі еa і еc зливаються, тобто спостерігається рівність цих компонентів.

Наведений приклад для титанату барію не можна розглядати як типовий графік для компонентів тензорів е в будь-яких сегнетоелектриках. Зокрема для сегнетової солі, що має дві точки Кюрі (при -18 і +23 ° С), між якими спостерігається спонтанна поляризація, сегнетоелектричної віссю є вісь а моноклінної структури. Тільки уздовж цієї осі і виявляються сегнетоелектричні властивості NaKC4H4O64H2O. У напрямку...