Параметри сегнетоелектриків

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ, МОЛОДІ І СПОРТУ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ

Радіотехнічний факультет

Кафедра радіотехнічних пристроїв та систем

Реферат

з дисципліни „Матеріали та компоненти РЕА”

Параметри сегнетоелектриків

Виконав:студент гр. РС-42

Кисиленко Володимир Костянтинович

Перевірив: Піддубний В.О.

Київ - 2015 р.



Зміст

радіокристалічний сегнетоелектрик оптичний електроніка

Вступ

1. Класифікація сегнетоелектриків

2. Основні властивості, характеристики, параметри сегнетоелектриків

3. Застосування сегнетоелектриків

Висновки

Список використаної літератури



Вступ

Сегнетоелектриками називаються речовини, що володіють спонтанною електричної поляризацією, яка може бути звернена прикладанням електричного поля E певної величини і певного напряму. Цей процес, званий переполяризацією, супроводжується діелектричним гістерезисом. Сегнетоелектрики у багатьох відношеннях є електричним аналогами феромагнетиків, в яких намагніченість I може бути звернена магнітним полем H. Однак за своєю мікроскопічною природою сегнетоелектрики і ферромагнетики зовсім різні.

Сегнетоелектрики відрізняються великою діелектричною проникністю, високим п'єзомодулем, наявністю петлі діелектричного гістерезису, електрооптичними властивостями, і тому широко застосовуються в багатьох областях сучасної техніки: радіотехніці, електроакустиці, квантовій електроніці та вимірювальній техніці.

Сегнетоелектрики володіють цікавими електричними властивостями. У багатьох твердих тілах сили зв'язку носять головним чином електричний характер, і той факт, що в сегнетоелектриках ці сили можуть проявлятися дуже яскраво істотно полегшує їх вивчення.

У терміні «сегнетоелектрики» знайшов свій слід той факт, що перші сегнетоелектричні властивості були виявлені у сегнетовій солі. Пізніше, однак, з'ясувалося, що сегнетова сіль є не типовим сегнетоелектричним кристалом.

Сегнетоелектрики є твердими тілами, причому всі вони неметали. Властивості сегнетоелектриків найпростіше вивчати, якщо речовина знаходиться в монокристалічому стані.

Вивчення властивостей феромагнетиків, відомих з глибокої давнини, почалося приблизно з 1600 року. Надалі дослідження Вебера і Евінга привели вже в 1907 році до відомої теорії Вейса. Сегнетоелектрики ж були відкриті лише в 1921 році Валашеком в сегнетовій солі. На даний час відомо вже більше 700 речовин, що володіють сегнетоелектричними властивостями.

Трьома найбільш яскравими особливостями сегнетоелектриків є оборотна поляризація, «аномальні» властивості і нелінійності.

Більшість сегнетоелектриків перестає бути сегнетоелектриками при перевищені деякої температури Т_K, так званої температурою переходу. Аномальна поведінка поблизу Т_K, ймовірно не менш важлива, ніж оборотна поляризація, але вона не є достатнім визначенням сегнетоелектрика. При температурі Т_K діелектрична проникність різко зростає до дуже великих значень; саме ці великі значення в околиці Т_K називають аномальними значеннями.



1. Класифікація сегнетоелектриків

Класифікувати сегнетоелектрики можна за різними ознаками. Найбільш поширена класифікація сегнетоелектриків - відповідно до структури і пов'язаним з нею механізмом виникнення спонтанної поляризації при фазовому переході. За цією ознакою вони поділяються на сегнетоелектрики типу «зміщення», у яких перехід в сегнетоелектричних фазах пов'язаний зі зміщенням іонів, і сегнетоелектрики типу «порядок-безпорядок», у яких при переході в сегнетоелектричних фазах відбувається впорядкування наявних у вихідній фазі диполів.

Сегнетоелектрики типу «зміщення» поділяються на дві основні групи: групу перовскіта і групу псевдоільменіта. Сегнетоелектрики групи перовскіта можуть існувати у вигляді монокристала або кераміки. Характерна особливість структури кристалів цієї групи - наявність кисневого октаедра, усередині якого розташовується 4- або 5-валентний іон Ti, Zr, Nb або інший іон з малим іонним радіусом. У параелектричній фазі кристали цієї групи мають кубічну структуру. У вершинах куба розташовуються іони Ba, Pb, Cd та ін. Іони кисню розміщуються в центрі граней куба, утворюючи октаедр. Виникнення спонтанної поляризації в них пов'язано зі зміною іонів титану. Важлива особливість таких сегнетоелектриків здатність утворювати тверді розчини із з'єднаннями аналогічної структури, наприклад BaTiO₃-SrTiO₃, PbTiO₃-PbZrO₃. Це дозволяє створювати кераміку з заданими властивостями для численних пристроїв: п'єзоперетворювачів, п'єзоприводів, п'єзодвигунів, позисторів, вариконд та ін.

Сегнетоелектрики групи псевдоільменіта мають ромбоедричну структуру. Характерна особливість кристалів групи псевдоільменіта - висока температура Кюрі. Ці кристали найбільш широко застосовуються в акустичних пристроях на поверхневих об'ємних хвилях: смугових фільтрах, резонаторах, лініях затримки, ВЧ акустооптичних модуляторах. Вони застосовуються також у пристроях нелінійної оптики та електроніки і в піроприймачах.

Сегнетоелектрики типу «порядок - безпорядок» діляться на три основні групи: групу дигідрофосфата калію (KDP) - дигідрофосфати і дигідроарсенати лужних металів (KH₂PO₄, PdH₂PO₄, KH₂AsO₄, RbH₂AsO₄, CsH₂AsO₄) та їх дейтерієві аналоги; групу тригліцинсульфата (ТГС) - (NH₂CH₂COOH₃) H₂SO₄; рідкокристалічні сегнетоелектрики. Впорядковуючими елементами структури в сегнетоелектриках групи KDR є протони (дейтрони) в водневих зв'язках. Виникнення спонтанної поляризації пов'язано з тим, що положення всіх протонів стає впорядкованим. Основні застосування цієї групи кристалів - в пристроях нелінійної оптики і електрооптики. Сегнетоелектричні властивості кристалів групи ТГС обумовлені упорядкуванням протонів в водневих зв'язках що призводить до виникнення диполів у молекул гліцину і сульфатіонов. Застосовуються в піроприймачах і мішенях піровідиконів.

Рідкокристалічні сегнетоелектрики - широкий клас рідких кристалів, що містять впорядковані полярні молекули. Вони мають ряд електричних і оптичних властивостей, характерних для сегнетоелектриків: різким фазовим переходом, що супроводжується аномаліями теплових, діелектричних та оптичних властивостей; високими значеннями діелектричної проникності (~ 102), тощо. Деякі рідкокристалічні сегнетоелектрики виявляють петлі діелектричного гістерезису. Оптичні властивості сильно залежать від температури і спрямованості зовнішнього електричного поля; на цьому засновані найбільш важливі застосування таких сегнетоелектриків: оптичні індикатори, транспаранти, дисплеї, тощо.

Іонні і дипольні сегнетоелектрики істотно розрізняються за властивостями. Так, всі з'єднання киснево-октаедричного типу нерозчинні у воді, володіють значною механічною міцністю, легко виходять полікристалами при керамічній технології. А дипольні сегнетоелектрики мають високу розчинність у воді і малу механічну міцність. Наприклад, розчинність сегнетової солі у воді настільки велика, що її кристали можна розпиляти за допомогою вологої нитки. Завдяки високій розчинності у воді можна легко виростити великі за розміром монокристали цих сполук з водних розчинів.

2. Основні властивості, характеристики, параметри сегнетоелектриків

Багато властивостей сегнетоелектриків відрізняються від властивостей яких слід було б очікувати для однорідних матеріалів. Це обумовлено наявністю доменів точно так же, як у феромагнетиках. Так, наприклад, характер струму перемикання тісно пов'язаний з поведінкою доменів. Домени є як в монокристалі, так і в кристалах керамічного зразка. Сегнетоелектричний домен являє собою макроскопічну область, в якій напрямок спонтанної поляризації однаковий і відрізняється від напрямку спонтанної поляризації в сусідніх доменах.

Розділяютчі доменні стінки можуть переміщуватися всередині монокристала; при цьому одні домени збільшуються, а інші зменшуються. Ландауером теоретично було розраховано, що в титанаті барію необхідне для переполяризації монокристала поле повинне становити близько 200 кВ / см, однак практично переполяризація легко здійснюється в полі близько 1 кВ / см, очевидно, завдяки тому, що в кристалі завжди присутні невеликі домени з зворотнім напрямком поляризації. При переполяризації ці домени ростуть або за рахунок переміщення доменних стінок, або за рахунок деякого східного процесу.

У монокристалі відносна орієнтація електричних моментів доменів визначається симетрією кристалічної решітки. Наприклад, в тетрагональній модифікації титаната барію (BaTiO₃) можливі шість напрямків спонтанної поляризованості: антипаралельних або перпендикулярних один одному. Відповідно для цього випадку розрізняють 180-градусні і 90-градусні доменні кордони(межі). Енергетично найбільш вигідною є така структура, при якій забезпечується електрична нейтральність доменних кордонів, тобто проекція вектора поляризації на кордон з боку одного домена повинна бути рівна по довжині і протилежна за напрямком проекції вектора поляризації з боку сусіднього домена. З цієї причини електричні моменти доменів орієнтуються за принципом з «голови» до «хвоста». Встановлено, що лінійні розміри доменів складають від 10^-4 до 10^-1 см.

У полікристалічних сегнетоелектриків в кожному кристалі можуть існувати декілька доменів. Різним напрямкам поляризації відповідають не тільки різні положення деяких іонів в елементарній комірці, але часто також і різні зміни форми самої комірки.

Зовнішнє електричне поле змінює напрямки електричних моментів доменів, що створює ефект дуже сильної поляризації. Цим пояснюються властиві сегнетоелектрикам надвисокі значення діелектричної проникності. Доменна поляризація пов'язана з процесами зародження і зростання нових доменів за рахунок зміщення доменних меж, які в підсумку викликають переорієнтацію вектора спонтанної поляризованности в напрямку зовнішнього електричного поля.

Наслідком доменної будови сегнетоелектриків є нелінійна залежність їх електричної індукції від напруженості електричного поля, яка показана на рисунку.



При впливі слабкого електричного поля зв'язок між D і Е носить приблизно лінійний характер (ділянка ОА). На цій ділянці переважають процеси оборотного зсуву (флуктуації) доменних меж. В області більш сильних полів (область АВ) зміщення доменних меж носить незворотній характер. При цьому розростаються домени з переважною орієнтацією, у яких вектор спонтанної поляризації утворює найменший кут з напрямом поля. При деякій напруженості поля, відповідній точці В, всі домени виявляються орієнтованими по полю. Настає стан технічного насичення. В монокристалах стан технічного насичення відповідає однодоменному стану. Деяке зростання індукції в сегнетоелектрики на ділянці технічного насичення обумовлено процесами індукованої (тобто електронної та іонної) поляризації. Її роль посилюється з підвищенням температури. Криву ОАВ називають основною кривою поляризації сегнетоелектрика (крива заряду сегнетоелектричного конденсатора).

Якщо в поляризованому до насичення зразку зменшити напруженість поля до нуля, то індукція в нуль не повернеться, а прийме деяке залишкове значення Dr. При впливі полем протилежної полярності індукція швидко зменшується і при деякій напруженості поля змінює свій напрямок. Подальше збільшення напруженості поля знову переводить зразок у стан технічного насичення (точка С). Звідси випливає, що переполяризації сегнетоелектрика в змінних полях супроводжується діелектричним гістерезисом. Напруженість поля Еr, при якій індукція проходить через нуль, називається коерцитивної силою.

Діелектричний гістерезис зумовлений необоротним зміщенням доменних меж під дією поля і свідчить про додаткові механізми діелектричних втрат, пов'язаних з витратами енергії на орієнтацію доменів. Площа гістерезисной петлі пропорційна енергії, що розсіюється в діелектрику за один період. Внаслідок втрат на гістерезис сегнетоелектрики характеризуються дуже великим тангенсом кута діелектричних втрат, який в типових випадках приймає значення порядка 0,1.

Сукупність вершин гістерезисних петель, отриманих при різних значеннях амплітуди змінного поля, утворює основну криву поляризації сегнетоелектріка.

Для більшості сегнетоелектриків діелектрична проникність велика навіть при температурах, не надто близьких до T_K. Діелектричну проникність можна виміряти, нанісши на кристал пару електродів і визначивши тим чи іншим шляхом його ємність у змінному електричному полі.

Вище температури переходу Т_K температурна залежність діелектричної проникності часто добре апроксимується законом Кюрі-Вейса:

= 4С / (Т-Т_C),

де С - константа Кюрі.

Нижче температури переходу швидко зменшується. Для речовин з переходом другого роду значення Т_С і Т_K зазвичай збігаються. Для інших речовин Т_С на кілька градусів нижче Т_K.

Нелінійність (Е) є важливою характеристикою сегнетоелектриків. Якщо створювана прикладеним полем Е поляризація не залишається пропорційною при зростанні поля, то вимірювання в змінному полі будуть давати різні значення проникності при різних амплітудах поля. Нелінійність проявляється також при вимірах в досить малому полі за наявності додаткової зміщуючої напруги.

Нелінійність поляризації по відношенню до поля і наявність гістерезису обумовлюють залежність діелектричної проникності і ємності сегнетоелектричного конденсатора від режиму роботи. Для характеристики властивостей матеріалу в різних умовах роботи нелінійного елемента використовують поняття статичної, реверсивної, ефективної та інших діелектричних проникностей.

Статична діелектрична проникність _ст визначається за основною кривою поляризації сегнетоелектрика:

_ст = D/(₀Е) = 1 + Р/(₀Е) Р/(₀Е).

Реверсивна діелектрична проникність _р характеризує зміну поляризації сегнетоелектрика в змінному електричному полі при одночасному впливі постійного поля.

Ефективну діелектричну проникність _еф, як і ефективну ємність конденсатора, визначають за діючим значенням струму I (не синусоїдального), що проходить у ланцюзі з нелінійним елементом при заданій діючій напрузі U з кутовою частотою :

_эф ~ С_эф = I/(U)

Діелектричну проникність, вимірювану в дуже слабких електричних полях, називають початковою.

Специфічні властивості сегнетоелектриків проявляються лише в певному визначеному діапазоні температур. В процесі нагрівання вище деякої температури відбувається розпад доменної структури і електрик переходить в параелектричний стан. Температура Т_К такого фазового переходу отримала назву сегнетоелектричної точки Кюрі. У точці Кюрі спонтанна поляризованість зникає, а діелектрична проникність досягає свого максимального значення.

Залежність титаната барію від температури.

Видно, що при температурі близькій 120 ° С є виражена точка Кюрі, нижче якої матеріал володіє сегнетоелектричними властивостями, хоча в ньому і спостерігаються додаткові структурні зміни (вторинні максимуми на кривих).

Перехід сегнетоелектрика в параелектричний стан супроводжується різким зменшенням tg, оскільки зникають витрати на гістерезис.

Деякі властивості кераміки відрізняються від властивостей відповідних мо-нокристалів. Це пов'язано з хаотичною орієнтацією кристалітів, пористістю матеріалу, а також тим, що багато кристалітів знаходяться в механічно напруженому стані навіть тоді, коли до матеріалу не прикладено ніякої зовнішнього напруги. Зміна властивостей, викликаного наявністю пор, звичайно враховується просто щільністю матеріалу. Наприклад, якщо щільність кристала титаната барію 6,0 г / см³, то щільність його кераміки зазвичай становить близько 5,7 г / см³. Кераміка зазвичай має такі ж, як і у монокристалів температуру переходу, теплоємність і константу Кюрі (з урахуванням поправки на пористість).

У кераміці титаната барію кожен кристаліт має по відношенню до своїх кристалографічних вісей шість еквівалентних можливих напрямків спонтанної поляризації; орієнтація же самих кристалітів хаотична. У загальному випадку дійсно реалізуються напрямки спонтанної поляризації в кераміці статистично рівномірно розподілені по шести вказаними напрямками. Але це не завжди має місце, так як спеціальною обробкою можна створити переважний напрямок поляризації, наприклад приклавши до виробу на підходящій стадії його приготування (або навіть до охолодженого виробу) постійне електричне поле. Такий процес називають поляризацією кераміки. При цьому в кожному кристалі стає кращим той з напрямків спонтанної поляризації, який ближче інших до напрямку поля. Однак цей процес не може призвести до настільки ж великої поляризації зразка, як у випадку монокристала. Можна показати, що максимальна можлива поляризація керамічного зразка становить 84% поляризації монокристала титаната барію. Це значення практично ніколи не досягається внаслідок внутрішніх механічних напруг і пористості кераміки; зазвичай поляризація становить близько 55% коли поле вільне, і менше, коли поляризуюче поле зайняте.

Значення п'єзоелектричних коефіцієнтів для кераміки також нижче, ніж для монокристала, складаючи після відповідної поляризації близько 25% значень для монокристала.

Легко побачити, що специфічні умови, що існують в кераміці сильно впливають на одні властивості кристала і не впливають на інші. Наприклад, повна поляризація PS є середньою величиною для різних кристалітів; якщо кристаліти орієнтовані хаотично, то ця середня величина повертається в нуль. Аналогічний п'єзоефект буде малий, так як поле подовжує одні кристали і вкорочує інші. Але діелектрична проникність може сильно і не змінюватися, оскільки вимірювальне змінне поле протягом кожного напівперіоду буде збільшувати поляризацію в одних кристалах і зменшувати в інших.

Властивостями кераміки певною мірою можна керувати. Бажані зміни параметрів можна отримувати, змінюючи внутрішні механічні напруги за допомогою зміни розмірів кристалів або за допомогою різних процесів відпалу. Для кераміки титанату барію діелектрична проникність збільшується зі зменшенням розміру кристалів. Добавки також можуть змінювати внутрішні напруження.

Мікроскопічний механізм спонтанної поляризації.

Для розуміння причин і природи спонтанної поляризації необхідне знання атомної структури та її змін при фазових переходах. Розглянемо як приклад виникнення спонтанної поляризації в титанаті барію (ВаТiO₃), який за своєю науковою значимістю і технічному застосуванню займає провідне місце серед сегнетоелектриків. Саме вивчення нелінійних властивостей титанату барію, розпочате в СРСР Б. М. Вулом ще в 1944 р, стало потужним імпульсом до розвитку теоретичних, експериментальних і пошукових робіт в області сегнетоелектрики.

При температурі вище 120 ° С (точка Кюрі), титанат барію володіє кристалічною структурою типу перовскіт. До складу елементарної комірки, що має форму куба, входить одна формульна одиниця типу АВО₃. Основу структури складають кисневі октаедри, в центрі яких розташовані іони титану. У свою чергу іони кисню центрирують грані кубів, складених з іонів барію.

Розміри елементарної комірки більше подвоєної суми іонних радіусів титану і кисню. Тому іон титану має деяку свободу переміщення в межах кисневого октаедра.

При високій температурі внаслідок інтенсивного теплового руху іон титану безперервно перекидається від одного кисневого іона до іншого, так що усереднене у часі його положення збігається з центром елементарної комірки. Завдяки центральній симетрії такий осередок не володіє електричним моментом.

При температурі нижче Т_К = 120 ° С, як показує досвід, енергія теплового руху недостатня для перекидання іона титану з одною рівноважного положення в інше, і він локалізується поблизу одного з оточуючих його кисневих іонів. В результаті порушується кубічна симетрія в розташуванні заряджених частинок, і елементарна комірка набуває електричного моменту. Одночасно з цим спотворюється форма осередку - вона витягується у напрямку осі, що проходить через центри іонів кисню і титану, які зблизились між собою, приймаючи тетрагональну симетрію.

Взаємодія між зарядженими частинками сусідніх осередків призводить до того, що зміщення іонів титану відбувається в них узгоджено, в одному напрямку, а це, в свою чергу, призводить до утворення доменів.

Розглянута схема утворення спонтанної поляризації ВаТiO₃ носить якісний характер. Ретельні дослідження, виконані за допомогою дифракції нейтронів, показують, що насправді фазовий перехід в сегнетоелектричну фазу обумовлений зміщенням з симетричних положень не тільки іонів титану - істотний внесок в електричний момент кожного осередку вносить і зсув кисневих іонів.

При зародженні нової (сегнетоелектричної) фази зміщення іонів може відбуватися в напрямку будь-якого з ребер кубічної елементарної комірки. Тому в тетрагональной модифікації BaTiO₃ можливі шість напрямків спонтанної поляризованности. Подібного роду фазові переходи, які спостерігаються в іонних сегнетоелектріках, отримали назву переходів типу змішання. Однак поява спонтанної поляризації може відбуватися не тільки при зміщенні іонів, але і за рахунок впорядкування в розташуванні дипольних груп. Такий механізм утворення сегнетоелектричного стану більш характерний для дипольних кристалів. В якості типових прикладів можна вказати кристали сегнетової солі, нітриту натрію, тригліцинсульфата, дигідрофосфата калію та ін. Фазові переходи, пов'язані зі спонтанним упорядкуванням дипольних моментів, називають переходами типу «порядок-безпорядок».

У деяких кристалах електричні моменти сусідніх елементарних комірок за рахунок відповідного зміщення іонів або впорядкування дипольних моментів виявляються орієнтованими у взаємно протилежних напрямках. Такі речовини з антипаралельними електричними моментами називають антисегнетоелектриками. Вони також мають доменну будова, проте спонтанна поляризованість кожного домена дорівнює нулю. У параелектричній фазі антисегнетоелектрики можуть володіти високою діелектричною проникністю. Прикладами антисегнетоелектриків є цирконат свинцю (PbZrO₃), ніобат натрію (NaNbO₃), дигідрофосфат амонію (NH₄H₂P0₄) та ін.

3. Застосування сегнетоелектриків

У технічному застосуванні сегнетоелектриків визначилось кілька напрямів, найважливішими з яких слід вважати:

1) виготовлення малогабаритних низькочастотних конденсаторів з великою питомою ємністю;

2) використання матеріалів з великою нелінійністю поляризації для діелектричних підсилювачів, модуляторів та інших керованих пристроїв;

3) використання сегнетоелементів в лічильно-обчислювальній техніці як осередків пам'яті;

4) використання кристалів сегнето- і антисегнетоелектриків для модуляції і перетворення лазерного випромінювання;

5) виготовлення п'єзоелектричних і піроелектричних перетворювачів.

Конденсаторна сегнетокераміка, як і будь-який діелектрик, для виробництва звичайних конденсаторів, повинна мати найбільшу величину діелектричної проникності з малою залежністю від температури, незначні втрати, найменшу залежність и tg від напруженості електричного поля (малу нелінійність), високі значення питомого об'ємного і поверхневого опорів і електричної міцності.

Одним з найважливіших методів отримання оптимальних властивостей в заданому температурному інтервалі є використання твердих розчинів. Зміною концентрації компонентів у твердому розчині можна регулювати значення діелектричної проникності, зміщувати температуру Кюрі, змінювати нелінійність поляризації і т. д. У твердих розчинах, в порівнянні з простими речовинами, можна отримати більш злагоджені температурні залежності , що має важливе значення для виробництва конденсаторів. Однак у більшості випадків використання однофазних матеріалів, навіть які являються твердими розчинами, не можуть забезпечити достатньо слабку температурну залежність . Для ослаблення температурних залежностей параметрів конденсаторів до складу сегнетокераміки вводять різні добавки, які «розмивають» сегнетоелектричний фазовий перехід. У більшості випадків конденсаторні сегнетокерамічні матеріали містять кілька кристалічних фаз. При «розмитому» фазовому переході порівняно слабко виражені і нелінійні властивості діелектриків. У промисловості використовують кілька сегнетокерамічних матеріалів, кожен з яких застосовують для певних типів конденсаторів, так як жоден матеріал не відповідає сукупності всіх перерахованих вимог.

Серед існуючої конденсаторної сегнетокераміки можна виділити:

1) матеріали зі слабо вираженою температурною залежністю діелектричної проникності, наприклад, Т - 900;

2) матеріали зі згладженою залежністю діелектричної проникності від температури, наприклад, СМ - 1;

3) матеріали з максимальним значенням діелектричної проникності в певному інтервалі температур, наприклад Т - 8000.

У матеріалі Т-900 кристалічна фаза являє собою твердий розчин титанатів стронцію (SrTiO3) і вісмуту (Bi4Ti3O12). Максимум відповідає точці Кюрі

Т_К = -140 ° С. Робочий діапазон температур розташований значно правіше Т_К, тому температурна залежність злегка падаюча.

Матеріал СМ-1 виготовляють на основі титанату барію з добавкою оксидів цирконію та вісмуту. Його застосовують для виробництва малогабаритних конденсаторів на низькі напруги.

Матеріал Т-8000 має кристалічну фазу, що являє собою твердий розчин ВаТiOз - ВаZr0з. Точка Кюрі цього матеріалу знаходиться в області кімнатної температури, тому поблизу неї діелектрична проникність має максимальне значення. Даний матеріал використовують для виготовлення конденсаторів, що працюють при кімнатній температурі (у невеликому інтервалі температур), в тому числі і високовольтних.

Поширені й інші сегнетокерамічні матеріали для конденсаторів, що відрізняються більшою діелектричною проникністю і більше злагодженою залежністю її від температури.

Матеріали для вариконд.

Матеріали для вариконд мають різко виражені нелінійні властивості; застосовуються для виготовлення нелінійних конденсаторів - вариконд.

Одна з основних характеристик вариконд - коефіцієнт нелінійності К, який визначається як відношення максимального значення діелектричної проникності при деякій, максимальній для даного матеріалу, напруженості електричного поля до початкового значення діелектричної проникності. Чисельне значення коефіцієнта нелінійності для різних видів вариконд може змінюватися від 4 до 50 (в змінному полі). Основною кристалічною фазою в таких матеріалах є тверді розчини системи Ba (Ti, Sn) 0₃ або Pb (Ti, Zr, Sn) 0₃.

Вариконди призначені для управління параметрами електричних кіл за рахунок зміни їх ємності при впливі як постійної або змінної напруги, так і декількох напруг, прикладених одночасно і розрізняються за значенням і частотой. У найпростішому випадку їм доводиться працювати при одночасному впливі змінного (синусоїдального) і постійного електричних полів, причому Е_{_} >> E _~. Як зазначалося, зміна поляризації сегнетоелектрика в цих умовах визначається реверсивною діелектричною проникністю _Р. Вона характеризує ступінь орієнтування електричних моментів доменів змінним полем при наявності переважної спрямованості їх дією постійного поля. Чим сильніше прикладене до сегнетоелектриків постійне поле, тобто чим більша спрямованість електричних моментів доменів, тим менший вплив на сумарну електричну індукцію в сегнетоелектриків надає змінне поле. Отже, при заданій амплітуді змінного поля Еm реверсивна діелектрична проникність _Р із зростанням Е_ зменшується.

Нелінійні діелектричні елементи, зазвичай в тонкоплівковому виконанні, є основою різноманітних радіотехнічних пристроїв - параметричних підсилювачів, низькочастотних підсилювачів потужності, модуляторів, стабілізаторів напруги, керованих фільтрів та ін.

Як приклад використання вариконд наведемо принципову схему діелектричного підсилювача, основаного на зміні ємності нелінійного конденсатора С_ВАР під впливом поля вхідного сигналу U_ВХ, що обумовлює зміну струму в навантаженні I_н.

Сегнетоелектрики з ППГ.

В адресних регістрах обчислювальних машин багаторазово використовуються перемикачі, за допомогою яких проводиться вибір необхідної комірки пам'яті. При розробці обчислювальних машин вживаються заходи для зменшення часу спрацьовування цих перемикачів числом необхідних селекторів.

У 1952 році Андерсон висловив припущення, що сегнетоелектрики з хорошою прямокутною петлею гістерезису можна використовувати в якості елементів запам'ятовуючих пристроїв обчислювальних машинах з можливою матричною селекцією. Для цих цілей необхідний матеріал з, можливо, більш прямокутною петлею гістерезису (ППГ), що характерно для монокристалів (наприклад, триглицинсульфату). За відсутності зовнішнього поля сегнетоелектрик з ППГ має два стійких стани, що відповідають різним напрямкам залишкової електричної індукції. Один з цих станів в пам'ятній комірці означає зберігання одиниці, а інше - зберігання нуля. Подаючи зовнішню напругу різної полярності, сегнетоелектрик можна переводити з одного стану в інший. На цьому засновані запис, зчитування і стирання інформації. Зчитування інформації можна здійснити без її руйнування, наприклад, оптичним методом або вимірюванням опору тонкої напівпровідникової плівки, нанесеної на поверхню сегнетоелектрика.

Час перемикання осередку пропорційний товщині кристала і при товщинах в декілька десятих доль міліметра становить кілька мікросекунд. У сегнетокераміки процес переполяризації в окремих зернах відбувається незалежно, і час проростання доменів визначається розмірами зерен, які можна зменшити до декількох мікрометрів. У цьому випадку досягається більш висока швидкодія, ніж у монокристалах, хоча погіршується прямокутність петлі гістерезиса.

Електрооптичні кристали.

Кристали ряду сегнето- і антисегнетоелектриків мають сильно виражений електрооптичний ефект, під яким розуміють зміну показника заломлення середовища, викликане зовнішнім статичним електричним полем. Якщо зміна показника заломлення пропорційна першому ступеню напруженості, то електрооптичний ефект називають лінійним (або ефектом Поккельса). Якщо ж спостерігається квадратична залежність від напруженості поля, то електрооптичний ефект називають квадратичним (або ефектом Керра).

Електрооптичні властивості сегнетоелектричних кристалів використовуються для модуляції лазерного випромінювання. Модуляція світлового потоку найпростіше здійснюється електричним полем, прикладеним до кристалу, що знаходиться між двома схрещеними поляроїдами. Дія такого модулятора заснована на залежності площини поляризації світлового променя, що проходить через кристал, від напруженості електричного поля.

Різноманітні конструкції електрооптичних модуляторів світла створені на базі кристалів ніобата літію (LiNbO₃), дигідрофосфата калію (КН₃Р0₄) і дидейтерофосфата калію KD₂PO₄. Значні перспективи застосування в якості електрооптичного матеріалу прозорої сегнетокераміки системи ЦТСЛ - тверді розчини цирконата-титанату свинцю з окисом лантану.

У сегнетоелектриках електрооптичний ефект посилюється з наближенням до точки фазового переходу (точки Кюрі). Таким чином, маємо можливість отримання ефективної модуляції світла невеликим напруженням, якщо підтримувати температуру кристала поблизу точки Кюрі.

Матеріали нелінійної оптики.

При впливі потужних світлових пучків, що створюються за допомогою лазерів, у багатьох сегнето- і антисегнетоелектриках проявляються нелінійні оптичні ефекти, в основі яких лежить нелінійна поляризація середовища, т. е. залежність показника заломлення від напруженості поля самої світлової хвилі. Нелінійність оптичних властивостей сегнетоелектричних кристалів дозволяє здійснити генерацію гармонік лазерного випромінювання, зміщення і перетворення частот оптичних сигналів. Великий практичний інтерес представляє перетворення ІЧ-випромінювання лазерів (зазвичай з = 1,06 мкм) у видиме світло. Високу ефективність такого перетворення забезпечують кристали KH₂PO₄, LiNbO₃, LiIO₃ (йодат літію), Ba₂NaNb₅O₁₅ та ін.

П'єзоелектричні і піроелектричні перетворювачі.

Найбільш широке застосування в якості п'єзоелектричного матеріалу знаходить сегнетоелектрична кераміка. Полярну сегнетокераміку, призначену для використання в п'єзоелектричних перетворювачах, називають п'єзокерамікою.

Основним матеріалом для виготовлення п'єзокерамічних елементів являються тверді розчини PbZrO₃ - PbTiO₃. Ця кераміка широко використовується для створення потужних ультразвукових випромінювачів в широкому діапазоні частот для цілей гідроакустики, дефектоскопії, механічної обробки матеріалів. Такі ультразвукові генератори застосовуються також у хімічній промисловості для прискорення різних процесів і в напівпровідниковій технології для ефективної промивки і знежирення напівпровідникових пластин за допомогою ультразвукової ванни. З пьезокераміки роблять малогабаритні мікрофони, телефони, гучномовці, слухові апарати, детонатори, різні пристрої підпалу в газових системах. П'єзокерамічні елементи можна використовувати в якості датчиків тисків, деформацій, прискорень, вібрацій. Подвійне перетворення енергії покладено в основу роботи пьезорезонансних фільтрів, ліній затримки і пьезотрансформаторів.

Піроелектричний ефект проявляється в поляризованій сегнетокераміці, хоча помітно гірше, ніж у монокристалів. Для виготовлення фотоприймачів можна використовувати всі види п'єзокераміки, однак найбільш відповідним матеріалом для цих цілей є кераміка ЦТСЛ. Введення добавки окису лантану дозволяє наблизити температуру Кюрі до кімнатної і отримати більш високі значення піроелектричних коефіцієнтів.



Висновки

Вивчивши даний клас матеріалів - сегнетоелектриків - ми визначили, що їх найбільш цінна властивість полягає в тому, що в них існують області однаково спрямованої спонтанної поляризації - сегнетоелектричні домени. Під впливом зовнішніх впливів сегнетоелектрики можуть переходити з багатодоменного стану в моно доменний(однодоменний). Ця властивість сегнетоелектриків використовується для створення на їх основі ЗУ ЕОМ.

Багато сегнетоелектриків володіють аномально високими значеннями діелектричної проникності і п'єзоелектричних констант, сильною залежністю фізичних властивостей від температури, що досягають екстремальних значень і максимальної нелінійності в околиці точки фазового переходу сегнетоелектрика в сегнетоелектричну фазу.

Більшість сегнетоелектриків мають одну температуру Кюрі, вище якої їхня фаза неполярна, а нижче -- полярна. Проте існують сегнетоелектрики, в яких полярна фаза існує в певному температурному діапазоні. Поведінка сегнетоелектриків має багато спільних рис з поведінкою феромагнетиків.

Прикладом сегнетоелектрика є сегнетова сіль, від назви якої походить назва класу речовин, а також титанат барію.

Сегнетоелектрики широко застосовуються для виготовлення малогабаритних низькочастотних конденсаторів з великою питомою ємністю, діелектричних підсилювачів, модуляторів та інших керованих пристроїв, в лічильно-обчислювальній техніці, для модуляції і перетворення лазерного випромінювання, тощо.



Список літератури

1. Пасинков В.В., Сорокин В.С., Материалы электронной техники, 2-е видавництво -- М.: ВШ., 1986.

2. Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики. Смоленский Т.А., Боков В.А., Крайник Н.Н., Пасынков Р.Е., Шур М.С. ,видавництво «Наука»., М, 1979.

3. Дж. Барфут. Введение в физику сегнетоэлектрических явлений, пер. з англ. Н.Р. Иванова, ред. Л.А. Шувалова, видавництво «Мир» -- М. 1970.

4. Сегнетоэлектрики и ферромагнетики (Збірник статей. П.П. Пугачевич и др.), Калинин, 1973.

Размещено на Allbest.ru

...