Сегнетоелектріки
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Сегнетоелектріки

Сегнетоелектріки, кристалічні діелектрики, що володіють в певному інтервалі температур спонтанною (мимовільною) поляризацією, яка істотно змінюється під впливом зовнішніх дій. Електричні властивості С. багато в чому подібні до магнітних властивостей феромагнетиків (звідси назва ферроелектріки прийняте в зарубіжній літературі). До найбільш досліджених і використовуваних на практиці С. відносяться титанат барії, сегнетова сіль (що дала назву всій групі кристалів), трігліцинсульфат, дігидрофосфат калія і ін. (див. таблиці.). Відомо декілька сотень С.

загрузка...

  Наявність спонтанної поляризації, тобто електричного дипольного моменту у відсутності електричного поля, — відмітна особливість ширшого класу діелектриків, називається піроелектрікамі . На відміну від інших піроелектріков, монокристалічні С. «податливі» по відношенню до зовнішніх дій: величина і напрям спонтанній поляризації можуть порівняно легко змінюватися під дією електричного поля, пружної напруги, при зміні температури. Це обумовлює велику різноманітність ефектів, в С, що спостерігаються. Для інших піроелектріков зміна напряму поляризації утруднено, т. до. требует радикальної перебудови структури кристала ( мал. 1 ). Електричні поля, які могли б здійснити таку перебудову в піроелектріках, істотно вище за пробивні поля (див. Пробій діелектриків ) . На відміну від інших піроелектріков, спонтанна поляризація С. пов'язана з невеликими зсувами іонів по відношенню до їх положень в неполяризованому кристалі ( мал. 2 ).

  Зазвичай С. не є однорідно поляризованими, а складаються з доменів ( мал. 3 ) — областей з різними напрямами спонтанній поляризації, так що за відсутності зовнішніх дій сумарний електричний дипольний момент P зразка практично дорівнює нулю. Мал. 4 пояснює причину утворення доменів в ідеальному кристалі. Електричне поле, створене спонтанною поляризацією однієї частини зразка, впливає на поляризацію іншої частини так, що енергетично вигідніше протилежна поляризація цих двох частин. Рівноважна доменна структура С. визначається балансом між зменшенням енергії електростатичної взаємодії доменів при розбитті кристала на домени і збільшенням енергії від утворення нових доменних кордонів, що володіють надлишковою енергією. Число різних доменів і взаємна орієнтація спонтанної поляризації в них визначаються симетрією кристала . Конфігурація доменів залежить від розмірів і форми зразка, на неї впливає характер розподілу за зразком дефектів в кристалах, внутрішньої напруги і ін. неоднородностей, неминуче присутніх в реальних кристалах.

  Наявність доменів істотна позначається на властивостях С. Под дією електричного поля доменні кордони зміщуються так, що об'єми доменів, поляризованих по полю, збільшуються за рахунок об'ємів доменів, поляризованих проти поля. Доменні кордони зазвичай «закріплені» на дефектах і неоднородностях в кристалі, і необхідні електричного поля достатньої величини, щоб їх переміщати за зразком. У сильному полі зразок цілком поляризується по полю — стає одиндоменним. Після виключення поля в перебіг довгого часу зразок залишається поляризованим. Необхідне досить сильне електричне поле протилежного напряму, називається коерцитівним, щоб сумарні об'єми доменів протилежного знаку порівнялися. У сильному полі відбувається повна переполярізация зразка. Залежність поляризації P зразка від напруженості електричного поля Е нелінійна і має вигляд петлі гістерезису .

  Сильна зміна поляризації зразка під дією електричного поля за рахунок зсуву доменних кордонів обумовлює той факт, що діелектрична проникність e многодомéнного С. більше, ніж одиндоменного. Значення e тим більше, чим слабкіше закріплені доменні кордони на дефектах і на поверхні кристала. Величина e в С. істотно залежить від напруженості електричного поля, тобто С. володіють нелінійними властивостями.

Характеристики деяких сегнетоелектріков

Кристал

Формула

Точка Кюрі
T з , °С

Максимальна спонтанна поляризація P s , мкк × см -2

Точкові групи симметрії*

неполяр-
ная фаза

полярна фаза

Титанат барії

Сегнетова сіль

Трігліцинсульфат

Дігидрофосфат калія

Дідейтерофосфат калія

Фторберіллат амонія

Молібдат гадолінія

Ніобат літію

Титанат вісмуту

Batio3

Knac 4 H 4 O 6 ×4Н 2 Про

(Nh 2 Ch 2 COOH) 3 ×H 2 So 4

Kh 2 Po 4

Kd 2 Po 4

(Nh 4 ) 2 Bef 4

Cd 2 (Moo 4 ) 3

Linbo 3

Bi 4 Ti 3 O 12

133

—18; 24

49

—150

—51

—97

159

1210

675

25

0,25

2,8

5,1

6,1

0,15

0,18

50

m 3 m

222

2 m

42 m

42 m

mmm

42 m

3 m

4 /mmm

4 mm

2

2

mm 2

mm 2

mm 2

mm 2

3 m

m

  * Позначення груп симетрії див.(дивися) в ст. Симетрія кристалів .

 

  При нагріванні С. спонтанна поляризація, як правило, зникає при певній температурі Т з , називається крапкою Кюрі, тобто відбувається фазовий перехід С. із стану із спонтанною поляризацією (полярна фаза) в стан, в якому спонтанна поляризація відсутня (неполярна фаза). Фазовий перехід в С. полягає в перебудові структури кристала (на відміну від магнетиків). У різних С. Т з сильно розрізняються (див. таблиці.).

  Величина спонтанної поляризації P s зазвичай сильно змінюється з температурою поблизу фазового переходу. Вона зникає в самій точці Кюрі Т з або стрибком (фазовий перехід 1-го роду, наприклад в титанаті барії), або плавно зменшуючись (фазовий перехід 2-го роду, наприклад в сегнетової солі). Істотну температурну залежність, як в полярній, так і в неполярній фазах, випробовує діелектричну проникність e, а також деякі з пружних, п'єзоелектричних і ін. констант С. Резкий зростання e з наближенням до крапки Кюрі ( мал. 5 ) пов'язане із збільшенням «податливості» кристала по відношенню до зміни поляризації, тобто до тих зсувів іонів, які приводять до зміни структури при фазовому переході.

  Виникнення поляризації при переході С. в полярну фазу може бути викликано або зсувом іонів (фазовий перехід типа зсуву, наприклад в титанаті барії, мал. 2 ), або впорядкуванням орієнтації електричних диполів, що існували і в неполярній фазі (фазовий перехід типа порядок — безлад, наприклад в дігидрофосфате калія). У деяких С. спонтанна поляризація може виникати як вторинний ефект, супроводжуючий перебудову структури кристала, не пов'язану безпосередньо з поляризацією. Такі С., називаються невласними (наприклад, молібдат гадолінія), володіють рядом особливостей: e слабо залежить від Т, в точці Кюрі значення e невелике і ін.

  В області фазового переходу спостерігаються зміни і у фононному спектрі кристала (див. Коливання кристалічної решітки ) . Вони найчіткіше виражені для переходів типа зсуву. Частота одного з оптичних коливань кристалічної решітки істотно падає при наближенні до Т з , особливо, якщо цей фазовий перехід 2-го роду.

  Все С. в полярній фазі є пьезоелектрікамі (див. П'єзоелектрика ) . П'єзоелектричні постійні С. можуть мати порівняно до інших пьезоелектрікамі великі значення, що пов'язане з великими величинами e. Великі значення мають також піроелектричні постійні С. із-за сильної залежності P s ( T ) .

  властивостями Сегнетоелектрічеськимі володіють деякі напівпровідники і магнітоупорядоченниє речовини. Поєднання різних властивостей приводить до нових ефектів, наприклад магнітоелектричних. У деяких діелектриках при фазовому переході із зміною кристалічної структури спонтанна поляризація не виникає, але спостерігаються, проте, діелектричній аномалії, схожі з аномаліями при сегнетоелектрічеських переходах: помітна зміна e, а також подвійні петлі гістерезису . Такі діелектрики часто називаються антисегнетоелектриками, хоча спостережувані властивості, як правило, не пов'язані з історично виниклими уявленнями про антипаралельні дипольні структури.

  матеріали (монокристали, кераміка, плівки) Сегнетоелектрічеськие широко застосовуються в техніці і в науковому експерименті. Завдяки великим значенням e їх використовують як матеріал для конденсаторів високої питомої ємкості. Великі значення п'єзоелектричних констант обумовлюють вживання С. як п'єзоелектричних матеріалів в приймачах і випромінювачах ультразвука, в перетворювачах звукових сигналів в електричних і навпаки, в датчиках тиску і ін. Різка зміна опору поблизу температури фазового переходу в деяких С. використовується в позісторах для контролю і виміру температури. Сильна температурна залежність спонтанної поляризації (велика величина піроелектричні константи) дозволяє застосовувати С. в приймачах електромагнітних випромінювань змінної інтенсивності в широкому діапазоні довжин хвиль (від видимого до субміліметрового). Завдяки сильній залежності e від електричного поля С. використовують в нелінійних конденсаторах (варікондах), які знайшли вживання в системах автоматики, контролю і управління. Залежність показника заломлення від поля обумовлює використання С. як електрооптичні матеріали в приладах і пристроях управління світловими пучками, включаючи візуалізацію інфрачервоного зображення. Перспективне вживання С. в пристроях пам'яті обчислювальних машин, дистанційного контролю і виміру температури і ін.

  Літ.: Іона Ф., Ширане Д., Сегнетоелектрічеськие кристали, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1965; Фейнман Р., Лейтон Р., Сендс М., Фейнмановськие лекції з фізики, [пер. з англ.(англійський)], т. 5, М., 1966; Сегнетоелектріки і антисегнетоелектрики, Л., 1971; Желудев І. С., Основи сегнетоелектрики, М., 1973.

  А. П. Льованюк, Д. Р. Санников.

Мал. 5. Залежність P s (T) і E(Т) для трігліцинсульфата. Індекси а, b, з відповідають напряму уздовж трьох кристалографічних осей. Спонтанна поляризація виникає уздовж осі b.

Мал. 3. Мікрофотографія доменів сегнетової солі, отримана з використанням поляризованого світла. Темні і світлі області відповідають доменам з протилежними напрямами спонтанній поляризації.

Мал. 2. Схематичне зображення елементарного вічка сегнетоелектріка в полярній фазі (а і б) і в неполярній фазі (в); стрілки вказують напрям електричних дипольних моментів.

Мал. 4. Взаємодія електричного поля Е однієї частини зразка із спонтанною поляризацією інший його частини.

Мал. 1. Схематичне зображення елементарного вічка піроелектріка. Стрілки вказують напрями електричних дипольних моментів.