Понятие сегнетоэлектриков

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

На тему: «Понятие сегнетоэлектриков»

Выполнил: студент 1 курса (БСТг 1-16) Дулатов А.

Научный руководитель: Тургунбаев Н. А.

Бишкек - 2016

Содержание

Введение

1. Феноменологическая теория

2. Основные свойства сегнетоэлектриков

3. Пьезоэлектрики

4. Пироэлектрики

Список использованной литературы

Введение

Сегнетоэлектричетво -- явление возникновения в определенном интервале температур спонтанной поляризации в кристалле, даже в отсутствии внешнего электрического поля, которая может быть переориентирована его приложением. Кристаллы, которым присуще явление сегнетоэлектричества, называются сегнетоэлектриками. Сегнетоэлектрики отличаются от пироэлектриков тем, что при определённой температуре (так называемой диэлектрической точке Кюри) их кристаллическая модификация меняется и спонтанная поляризация пропадает.

В 1920 г. была открыта спонтанная (самопроизвольная) поляризация. Сначала её обнаружили у кристаллов сегнетовой соли(NaKC4H4O6·4H2O), а затем и у других кристаллов. Всю эту группу веществ назвали сегнетоэлектрики (или ферроэлектрики). Детальное исследование диэлектрических свойств этих веществ было проведено в 1930 - 1934 гг. И.В. Курчатовым в Ленинградском физическом техникуме. Все сегнетоэлектрики обнаруживают резкую анизотропию свойств (сегнетоэлектрические свойства могут наблюдаться только вдоль одной из осей кристалла). У изотропных диэлектриков поляризация всех молекул одинакова, у анизотропных - поляризация, и следовательно, вектор поляризации в разных направлениях разные. В настоящее время известно несколько сотен сегнетоэлектриков.

Температура, при которой исчезает спонтанная поляризация (то есть собственный дипольный момент) и происходит перестройка кристаллической структуры, носит название температуры (точки) Кюри (ещё одна аналогия с ферромагнетиками). Переход через точку Кюри означает фазовый переход, а соответствующие фазы обозначаются как полярная (сегнетоэлектрик) и неполярная (параэлектрик -- нелинейный диэлектрик, не обладающий спонтанной поляризацией, относительная диэлектрическая проницаемость которого уменьшается с ростом температуры).

Спонтанная поляризация в сегнетоэлектриках в точке Кюри меняется либо непрерывно (переход второго рода, сегнетова соль), либо скачком (переход первого рода, титанат бария). Другие характеристики сегнетоэлектриков, такие как относительная диэлектрическая проницаемость, могут достигать в точке Кюри очень больших значений (10^4 и выше).

1. Феноменологическая теория

Фазовые переходы в С.- переходы 2-го рода или 1-го рода, близкие ко второму. Для описания свойств С. в области фазововых переходов обычно используется теория Ландау, конкретизированная В. Л. Гинзбургом применительно к С. Теория исходит из факта существования фазового перехода при понижении температуры до Т = Т _к ; характер-ной особенностью перехода является исчезновение некоторых элементов симметрии, связанное со смещением из симметричных положений определённых типов атомов в кристаллической решётке. Совокупность этих смещений связана с параметромпорядка , который равен 0 при . В собственном С. параметром порядка являются 1 (одноосный С.) либо 2,3 (многоосный С.) компоненты вектора поляризации Р. В одноосном собственном С., где а - пост. коэффициент. В несобственном С. h является многокомпонентной величиной, связанной со смещениями атомов при переходе в несимметричную фазу. В феноменелогической теории термодинамический потенциал Ф кристала рассматриваетсякак функция компонентпараметра по-рядка. Для собственного одноосного С.,свободного от механических напряжений, в электрическом поле Е имеем:

Здесь - компоненты векторов поляризации и электрического поля Е вдоль полярной оси кристалла z. Для несобственного одноосного С. (один из случаев):

Здесь -компоненты параметра порядка;- постоянные коэффициенты.

Равновесные свойства собственных и несобственных С. могут быть получены путём определения равновесных значений из условия минимума термодинамического потенциала Ф по отно-шению к этим величинам. Анализ приводит к зависимостям от темп-ры Т компонент параметрапорядка ,спонтанной поляризации ,диэлектрической проницаемости ,теплоёмкости Ср (рис. 1). Так, спон-танная поляризация для собственных С.:

Рис. 1. Температурные зависимости компонент параметра порядка спонтанной поляризации ,диэлектрической проницаемости вдоль полярного направления г, теплоемкости С _р длясобственных(а) и несобственных (б) сегнетоэлектриков.

для несобственных С.:

«Вторичность» спонтанной поляризации в несобственной С. следует из того, что . Диэлектрическая проницаемость в собственнном С. при фазовом переходе 2-го рода следует закону Кюри - Вейса:

где С - постоянная. В несобственном С. s испытыва-ет скачок при Т-Т _к. В обоих случаях теплоёмкость С _р меняется в точке фазового перехода скачком.

Поведение С. в области Т~ Т _к, следующее из теории Ландау, экспериментально (в основном) подтверждается; имеющиеся расхождения связываются с дефектами кристаллической структуры и флуктуационными эффектами. С позиций современной теории фазовых переходов 2-го рода, теория Ландау полностью учитывает нарастание флуктуации параметра порядка при .Поэтому она неверна в непосредственной близости к Т _к. В результате зависимости характеристик кристалла от Т оказываются вблизи Т _к неаналитическими. Область, где отклонения от предсказаний теории Ландау велики, в большинстве случаев узка, но тем не менее следует ожидать вблизи Т _к, например, отклонений от закона Кюри - Вейса (см. Критические показатели).

Из ур-ний (3)-(5) и рис. 1 следует, что в полярной фазе (при Т< Т _к ) равновесные значения спонтанной поляризации , отвечающие минимуму термодинамического потенциала Ф, могут быть положительны(«+») иотрицательны («-»). Это означает, что в полярной фазе есть несколько направлений для вектора Р: для одноосных С.- 2, для трёхосных С.- 6 (по два вдоль каждой из эквивалентных кристаллографических осей).

Доменная структура. Из сказанного следует, что существует энерге-тически эквивалентных вариантов структуры полярной фазы (которые могут быть переведены одна в другую теми преобразованиями симметрии, которые исчезают при фазовом переходе). Это объясняет возможность разбиения С. на домены - областью разичных направлениями Р. В несобственном С. возможны, кроме того, доме-ны с одним направлением Р, но различающиеся другими структурными характеристиками, т. е. знаком (т. н. антифазные домены). Характер равновесной доменной структуры определяется требованием минимума полной энергии кристалла. В С. при полной компенсации однородных по объёму электрических и упругих полей (т. е. в электрически закороченном и механически свободном образце) доменная структура энергетически невыгодна, т. к. образование границы между доменами (доменной стенки) увеличивает энергию кристалла (поверхностная энергия доменной стенки положительна). Однако обычно С. разбиты на домены. сегнетоэлектричество поляризация кристалл пьезоэлектрик

В незакороченных образцах разбиение на домены энергетически вы-годно, т. к. возрастание энергиидоменных стенок компенсируется ум-еньшением энергииэлектростатического взаимодействия между раз-личными частями кристалла. Ввиду дальнодействующего характера электростатического поля его значение в данной точке определяется распределением поляризации во всём объёме образца, его фор-мой и размерами, условиями на границах. Поэтому расчёт равновесной доменной структуры в С., даже для образцов простейших форм, представляет собой сложную задачу, пока окончательно не решённую. Сложен и ожидаемый характер доменной структуры, согласно теории, она должна измельчаться («ветвиться») в близи поверхности кристалла.

Однако доменная структура, отвечающая предсказаниям теории для идеального С., практически никогда не наблюдается. При образовании доменной структурыважную роль играет предыстория образца, например условия прохождения через точку Кюри Т _к в неравновесных условиях при первом охлаждении кристалла после его выращивания при повышенных темп-pax (см. Гистерезиссегнетоэлектрический), а также дефекты криста-лической структуры. Кроме того, во многих С. на характер доменной структуры сильное влияние оказывает экранирование электрического поля за счёт перераспределения свободных носителей заряда и перезарядки локальных центров (см. Сегнетополупроводники).

Влияние внешнего электрического поля на доменную структуру. В С. доменные стенки могут смещаться под действием электрического поля, причём объём доменов, поляризованных против поля.

2. Основные свойства сегнетоэлектриков

1. Диэлектрическая проницаемость е в некотором температурном интервале велика().

2. Значение е зависит не только от внешнего поля E₀, но и от предыстории образца.

3. Диэлектрическая проницаемость е (а следовательно, и Р) - нелинейно зависит от напряженности внешнего электростатического поля (нелинейные диэлектрики).

Это свойство называется диэлектрическим гистерезисом. На рисунке 4.6 изображена кривая поляризации сегнетоэлектрика - петля гистерезиса:

Рис. 4.6. Точка а - состояние насыщения.

При это говорит о том, что в кристаллах имеется остаточная поляризованность P_С, чтобы ее уничтожить, необходимо приложить E_С - коэрцитивную силу противоположного направления.

4. Наличие точки Кюри - температуры, при которой (и выше) сегнетоэлектрические свойства пропадают. При этой температуре происходит фазовый переход 2-го рода. (Например, титанат бария: 133є С; сегнетова соль: - 18 + 24є С; дигидрофосфат калия: - 150є С; ниобат лития 1210є С).

Причиной сегнетоэлектрических свойств является самопроизвольная (спонтанная) поляризация, возникающая под действием особо сильного взаимодействия между частицами, образующими вещество.

Рис. 4.7

Стремление к минимальной потенциальной энергии и наличие дефектов структуры приводит к тому, что сегнетоэлектрик разбит на домены (рис. 4.7). Без внешнего поля P - электрический импульс кристалла равен нулю (рис. 4.7, а). Во внешнем электростатическом поле домены ориентируются вдоль поля (рис. 4.7, б).

Сегнетоэлектрики используются для изготовления многих радиотехнических приборов, например, варикондов - конденсаторов с изменяемой емкостью.

Среди диэлектриков есть вещества, называемые электреты - это диэлектрики, длительно сохраняющие поляризованное состояние после снятия внешнего электростатического поля.

Электреты являются формальными аналогами постоянных магнитов, создающих вокруг себя магнитное поле. Принципиальная возможность получения таких материалов была предсказана Фарадеем. Термин «электрет» был предложен Хевисайдом в 1896 году по аналогии с английским «magnet» - постоянный магнит, а первые электреты получены японским исследователем Егучи в 1922 году. Егучи охладил в сильном электрическом поле расплав карнаубского воска и канифоли. Электрическое поле сориентировало полярные молекулы, и после охлаждения материал остался в поляризованном состоянии. Для уточнения технологии такие материалы называют термоэлектретами.

3. Пьезоэлектрики

Некоторые диэлектрики поляризуются не только под действием электростатического поля, но и под действием механической деформации. Это явление называется пьезоэлектрическим эффектом.

Явление открыто братьями Пьером и Жаком Кюри в 1880 году.

Если на грани кристалла наложить металлические электроды (обкладки), то при деформации кристалла с помощью силы на обкладках возникнет разность потенциалов. Если замкнуть обкладки, то потечет ток.

Продемонстрировать пьезоэффект можно рисунком 4.8.

Сейчас известно более 1800 пьезокристаллов. Все сегнетоэлектрики обладают пьезоэлектрическими свойствами.

Возможен и обратный пьезоэлектрический эффект. Возникновение поляризации сопровождается механическими деформациями. Если на пьезоэлектрический кристалл подать напряжение, то возникнут механические деформации кристалла, причем, деформации будут пропорциональны приложенному электростатическому полю Е₀.

Рис. 4.8

4. Пироэлектрики

Кроме сегнетоэлектриков, спонтанно поляризованными диэлектриками являются пироэлектрики (от греч. pyr - огонь). Пироэлектрики - это кристаллические диэлектрики, обладающие спонтанной электрической поляризацией во всей температурной области, вплоть до температуры плавления.

В отличие от сегнетоэлектриков в пироэлектриках поляризация Р линейно зависит от величины внешнего электрического поля, т.е. пироэлектрики являются линейными диэлектриками.

Пироэлектричество - появление электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов при их нагревании или охлаждении. При нагревании один конец диэлектрика заряжается положительно, а при охлаждении он же - отрицательно. Появление зарядов связано с изменением существующей поляризации при изменении температуры кристаллов. Типичный пироэлектрик - турмалин.

Все пироэлектрики являются пьезоэлектриками, но не наоборот. Некоторые пироэлектрики обладают сегнетоэлектрическими свойствами. Из сказанного следует, что понятие «пироэлектрик» является более общим, чем «сегнетоэлектрик». Можно сказать, что сегнетоэлектрики есть пироэлектрики с реориентируемой внешним полем поляризацией.

В пироэлектриках поляризация Р линейно зависит от величины внешнего электростатического поля , т.е. пироэлектрики являются линейными диэлектриками.

В качестве примеров использования различных диэлектриков можно привести следующие: сегнетоэлектрики - электрические конденсаторы, ограничители предельно допустимого тока, позисторы, запоминающие устройства; пьезоэлектрики - генераторы ВЧ и пошаговые моторы, микрофоны, наушники, датчики давления, частотные фильтры, пьезоэлектрические адаптеры; пироэлектрики - позисторы, детекторы ИК-излучения, болометры (датчики инфракрасного излучения), электрооптические модуляторы.

Широко используются в технике. Области их применения связаны с аномально большими значениями e (конденсаторы, вариконды), пиропьезоэлектрических, электрострикционных, электрооптиеских постоянных, обусловленными наличием фазового перехода, а также с использованием явления переключения спонтанной поляризации. Используются нелинейно-оптическое свойства С. (см. Нелинейная оптика).

Большое значение имеет сегнетоэлектрическая керамика, используемая для создания электромеханических и механоэлектрических преобразователей в широком диапазоне частот. К ним относятся излучатели звука (см. Излучатели звука), датчики микроперемещений, гидрофоны, акселерометры, стабилизаторы частоты и т. д. (см. Пьезоэлектрические преобразователи). В них в качестве основного материала служат керамика на основе системы Pb (TiZr) O₃ (PZT) с различными добавками, твёрдые растворы сложного состава с размытым фазовым переходом.

В микроэлектронике С. пока не нашли столь обширных применений, как полупроводники, поскольку электронные устройства на С. плохо поддаются интеграции. Однако решены некоторые технологические проблемы, связанные с получением тонких плёнок С. разного состава (в т. ч. PZT) со свойствами, близкими к монокристаллам. Переключение поляризации в таких плёнках толщиной осуществляется малыми электрическим напряжениями; плёнки могут наноситься на полупроводниковые подложки. Системы оперативной памяти на основе тонких сегнетоэлектрических плёнок перспективны. В устройствах интегральной оптики используются волноводные каналы на поверхности С., которые создаются путём диффузного легирования кристаллов, главным образом ниобата и танталата лития.

Кристаллы

Керамические конденсаторы

Новейшие технологии: сегнетоэлектрики - релаксоры

Сегнетокерамика: керамические материалы

Список использованной литературы

1) Иона Ф., Ширане Д., «Сегнетоэлектрические кристаллы», перевод с английского, Москва - 1965;

2) Лайнс М., Гласс А., «Сегнетоэлектрики и родственные им материалы», перевод с английского, Москва - 1981;

3) Барфут Д., Тейлор Д., «Полярные диэлектрики и их применения», перевод с английского, Москва - 1981 ;

4) Струков Б. А., Леванюк А. П., «Физические основы сегнетоэлектрических явлений в кристаллах», Москва - 1983;

5) Сивухин Д., «Общий курс физики» , Москва Наука - 1977-- том III «Электричество» -- стр. 160-173

6) Электронные, цифровые ресурсы (Мировой интернет «Wikipedia»)

Размещено на Allbest.ru