Сегнетоэлектрики

Сегнетоэлектрики (далее С) диэлектрики, обладающие в определенном интервале температур спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, которая существенно изменяется под влиянием внешних воздействий. Электрические свойства С во многом подобны свойствам ферромагнетиков (отсюда название ферроэлектрики, принятое в зарубежной литературе). К числу наиболее исследованных и используемых на практике С относятся сегнетова соль (давшая название всей группе триглицинсульфат, дигидрофосфат и др. (см. табл.). Известно несколько сотен С

Наличие спонтанной поляризации, т. е. электрического дипольного момента в отсутствии электрического поля, - отличительная особенность более широкого класса диэлектриков, называется пироэлектриками. В отличие от других пироэлектриков, монокристаллические С "податливы" по отношению к внешним воздействиям: величина и направление спонтанной поляризации могут сравнительно легко изменяться под действием электрического поля, упругих напряжений, при изменении температуры. Это обусловливает большое разнообразие эффектов, наблюдающихся в С Для других пироэлектриков изменение направления поляризации затруднено, т. к. требует радикальной перестройки структуры (рис. 1). Электрические поля, которые могли бы осуществить такую перестройку в пироэлектриках, существенно выше пробивных полей (см. Пробой диэлектриков). В отличие от других пироэлектриков, спонтанная поляризация С связана с небольшими смещениями ионов по отношению к их положениям в неполяризованном (рис. 2).

Обычно С не являются однородно поляризованными, а состоят из доменов (рис. 3) - областей с различными направлениями спонтанной поляризации, так что при отсутствии внешних воздействий суммарный электрический дипольный момент образца практически равен нулю. Рис. 4 поясняет причину образования доменов в идеальном Электрическое поле, созданное спонтанной поляризацией одной части образца, воздействует на поляризацию другой части так, что энергетически выгоднее противоположная поляризация этих двух частей. Равновесная доменная структура С определяется балансом между уменьшением энергии электростатического взаимодействия доменов при разбиении на домены и увеличением энергии от образования новых доменных границ, обладающих избыточной энергией. Число различных доменов и взаимная ориентация спонтанной поляризации в них определяются симметрией кристалла. Конфигурация доменов зависит от размеров и формы образца, на нее влияет характер распределения по образцу дефектов в кристаллах, внутренних напряжений и др. неоднородностей, неизбежно присутствующих в реальных
Наличие доменов существенно сказывается на свойствах С Под действием электрического поля доменные границы смещаются так, что объемы доменов, поляризованных по полю, увеличиваются за счет объемов доменов, поляризованных против поля. Доменные границы обычно "закреплены" на дефектах и неоднородностях в и необходимы электрического поля достаточной величины, чтобы их перемещать по образцу. В сильном поле образец целиком поляризуется по полю - становится однодоменным. После выключения поля в течение длительного времени образец остается поляризованным. Необходимо достаточно сильное электрическое поле противоположного направления, называется коэрцитивным, чтобы суммарные объемы доменов противоположного знака сравнялись. В сильном поле происходит полная переполяризация образца. Зависимость поляризации образца от напряженности электрического поля Е нелинейна и имеет вид петли гистерезиса.

Сильное изменение поляризации образца под действием электрического поля за счет смещения доменных границ обусловливает тот факт, что диэлектрическая проницаемость e многодомéнного С больше, чем однодоменного. Значение e тем больше, чем слабее закреплены доменные границы на дефектах и на поверхности Величина e в С существенно зависит от напряженности электрического поля, т. е. С обладают нелинейными свойствами.
Характеристики некоторых сегнетоэлектриков<

	Формула	Точка T_c, °С	Максимальная спонтанная поляризация _s, мкк×см^-2	Точечные группы симметрии*
				неполяр- ная фаза	полярная фаза
Сегнетова соль Триглицинсульфат Дигидрофосфат Дидейтерофосфат аммония Молибдат Ниобат лития	₃ ₄₄₆×4Н₂О (₂₂)₃×₂₄ ₂₄ KD₂₄ (₄)₂₄ ₂(₄)₃ ₃ ₄₃₁₂	133 -18; 24 49 -150 -51 -97 159 1210 675	25 0,25 2,8 5,1 6,1 0,15 0,18 50 -	m3m 222 2m 42m 42m mmm 42m 3m 4/mmm	4mm 2 2 mm2 mm2 mm2 mm2 3m m

* Обозначения групп симметрии см. в ст. Симметрия кристаллов.

При нагревании С спонтанная поляризация, как правило, исчезает при определенной температуре Т_с, называется точкой т. е. происходит фазовый переход С из состояния со спонтанной поляризацией (полярная фаза) в состояние, в котором спонтанная поляризация отсутствует (неполярная фаза). Фазовый переход в С состоит в перестройке структуры (в отличие от магнетиков). В разных С Т_с сильно различаются (см. табл.).

Величина спонтанной поляризации _s обычно сильно изменяется с температурой вблизи фазового перехода. Она исчезает в самой точке Т_с либо скачком (фазовый переход 1-го рода, например в либо плавно уменьшаясь (фазовый переход 2-го рода, например в сегнетовой соли). Существенную температурную зависимость, как в полярной, так и в неполярной фазах, испытывает диэлектрическую проницаемость e, а также некоторые из упругих, пьезоэлектрических и др. констант С Резкий рост e с приближением к точке (рис. 5) связан с увеличением "податливости" по отношению к изменению поляризации, т. е. к тем смещениям ионов, которые приводят к изменению структуры при фазовом переходе.

Возникновение поляризации при переходе С в полярную фазу может быть вызвано либо смещением ионов (фазовый переход типа смещения, например в рис. 2), либо упорядочением ориентации электрических диполей, существовавших и в неполярной фазе (фазовый переход типа порядок - беспорядок, например в дигидрофосфате В некоторых С спонтанная поляризация может возникать как вторичный эффект, сопровождающий перестройку структуры не связанную непосредственно с поляризацией. Такие С, называются несобственными (например, молибдат обладают рядом особенностей: e слабо зависит от Т, в точке значение e невелико, и др.

В области фазового перехода наблюдаются изменения и в фононном спектре (см. Колебания кристаллической решетки). Они наиболее четко выражены для переходов типа смещения. Частота одного из оптических колебаний решетки существенно падает при приближении к Т_с, особенно, если этот фазовый переход 2-го рода.

Все С в полярной фазе являются пьезоэлектриками (см. Пьезоэлектричество). Пьезоэлектрические постоянные С могут иметь сравнительно с другими пьезоэлектриками большие значения, что связано с большими величинами e. Большие значения имеют также пироэлектрические постоянные С из-за сильной зависимости _s(T).

Сегнетоэлектрическими свойствами обладают некоторые полупроводники и вещества. Сочетание различных свойств приводит к новым эффектам, например В некоторых диэлектриках при фазовом переходе с изменением структуры спонтанная поляризация не возникает, но наблюдаются, однако, диэлектрической аномалии, сходные с аномалиями при сегнетоэлектрических переходах: заметное изменение e, а также двойные петли гистерезиса. Такие диэлектрики часто называются антисегнетоэлектриками, хотя наблюдаемые свойства, как правило, не связаны с исторически возникшими представлениями об антипараллельных дипольных структурах.

Сегнетоэлектрические материалы (монокристаллы, керамика, пленки) широко применяются в технике и в научном эксперименте. Благодаря большим значениям e их используют в качестве материала для конденсаторов высокой удельной емкости. Большие значения пьезоэлектрических констант обусловливают применение С в качестве пьезоэлектрических материалов в приемниках и излучателях ультразвука, в преобразователях звуковых сигналов в электрические и наоборот, в датчиках давления и др. Резкое изменение сопротивления вблизи температуры фазового перехода в некоторых С используется в позисторах для контроля и измерения температуры. Сильная температурная зависимость спонтанной поляризации (большая величина пироэлектрические константы) позволяет применять С в приемниках электромагнитных излучений переменной интенсивности в широком диапазоне длин волн (от видимого до субмиллиметрового). Благодаря сильной зависимости e от электрического поля С используют в нелинейных конденсаторах (варикондах), которые нашли применение в системах автоматики, контроля и управления. Зависимость показателя преломления от поля обусловливает использование С в качестве электрооптических материалов в приборах и устройствах управления световыми пучками, включая визуализацию инфракрасного изображения. Перспективно применение С в устройствах памяти вычислительных машин, дистанционного контроля и измерения температуры и др.

Лит.: Иона Ф., Ширане Д., Сегнетоэлектрические пер. с англ., М., 1965; Фейнман Р., Лэйтон Р., Сэндс М., Фейнмановские лекции по физике, (пер. с англ.), т. 5, М., 1966; С и антисегнетоэлектрики, Л., 1971; Желудев И. С, Основы сегнетоэлектричества, М., 1973.

А. П. Леванюк, Д. Г. Санников.

		Новости 22.12.2024 17:08:10

	Copyright © 1999-2024 Oval.ru, All Rights Reserved.