Студентам > Рефераты > Активные диэлектрики
Активные диэлектрикиСтраница: 1/5
Активные
диэлектрики
Активными
диэлектриками, или управляемыми диэлектриками, принято называть такие
диэлектрики, свойства которых существенно зависят от внешних условий -
температуры, давления, напряженности поля и так далее. Такие диэлектрики могут
служить рабочими телами в разнообразных датчиках, преобразователях,
генераторах, модуляторах и других активных элементах.
К
активным диэлектрикам относят сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты,
материалы квантовой электроники, суперионные проводники и др. Строгая
классификация активных диэлектриков невозможна, поскольку один и тот же
материал может проявлять признаки различных активных диэлектриков. Так,
сегетоэлектрики часто сочетают свойства пьезоэлектриков. Кроме того, нет резкой
границы между активными и пассивными диэлектриками. Один и тот же материал в
зависимости от условий эксплуатации может выполнять либо функции пассивного
изолятора, либо активные функции преобразующего или управляющего элемента.
Сегнетоэлектрики
Сегнетоэлектриками называют материалы, обладающие
спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью
внешнего электрического поля.
В отсутствии внешнего электрического поля
сегнетоэлектрики, как правило, имеют доменную структуру, то есть разбиваются на
микроскопические области, обладающие спонтанной поляризацией. В принципе, у
ферромагнетиков также имеются домены - области спонтанного намагничивания,
поэтому поведение сегнетоэлектриков в электрическом поле подобно поведению ферромагнетиков
в магнитном поле. Единственным различием между сегнетоэлектриками и
ферромагнетиками является то, что при помещении их в электрическое поле
меняется вектор электрического смещения D = E + P, а у
ферромагнетиков при помещении в магнитное поле меняется индукция B = H+I.
За рубежом сегнетоэлектрики называют ферроэлектриками,
поскольку сегнетоэлектрики являются формальными аналогами ферромагнетиков.
Отечественное название - сегнетоэлектрики произошло
от сегнетовой соли, двойной калий-натриевой соли винно-каменной кислоты (NaKC4H4O6).
Сегнетова соль была первым материалом, в котором обнаружена спонтанная
поляризация. Свойства сегнетовой соли были всесторонне исследованы И.В.
Курчатовым совместно с П.П. Кобеко в начале тридцатых годов двадцатого века.
Монокристаллы сегнетовой соли нашли широкое применение для изготовления
различных приборов в годы Великой Отечественной войны, однако в настоящее время
сегнетова соль утратила свое техническое значение из-за низкой влагостойкости и
низких механических свойств. Очень интенсивно начали развиваться фундаментальные
и прикладные работы по сегнетоэлектричеству после открытия Б.М. Вулом (1944 г.)
сегнетоэлектрических свойств титаната бария BаTiO3.
На примере BаTiO3 рассмотрим структуру и
свойства сегнетоэлектриков.
Химические связи в BаTiO3 ионно-ковалентные.
Титанат бария кристаллизуется в структуру типа перовскит. Элементарную ячейку
решетки такого типа можно представить следующим образом: основу структуры
составляют кислородные октаэдры, в центре которых расположены ионы титана. В
свою очередь, ионы кислорода центрируют грани куба, составленного из ионов
бария (рис. 2).
Размеры элементарной ячейки больше удвоенной суммы ионных радиусов ионов
титана и кислорода. Поэтому ион титана имеет некоторую свободу перемещения в
кислородном октаэдре.
При достаточно высоких температурах тепловая энергия
иона титана достаточна для того, чтобы он непрерывно перебрасывался от одного
иона кислорода к другому, поэтому усредненное положение иона титана находится в
центре элементарной ячейки, и элементарная ячейка является симметричной - кубической.
Понижение температуры ведет к снижению
кинетической энергии иона титана и при некоторой температуре (ниже 120
°С) он локализуется вблизи одного из ионов
кислорода. В результате, симметрия в расположении заряженных частиц
нарушается, и элементарная ячейка приобретает дипольный момент. В соседней
элементарной ячейке ион титана смещается к отрицательному полюсу
образовавшегося диполя. Таким образом, соседние элементарные ячейки становятся
спонтанно поляризованными.
Одновременно со спонтанной поляризацией идет
деформация кристаллической решетки, и кубическая решетка становится ромбоэдрической.
Итак, ниже некоторой температуры (температуры Кюри)
сегнетоэлектрики самопроизвольно поляризуются, и при этом деформируется их кристаллическая
решетка. Выше температуры Кюри сегнетоэлектрики переходят в параэлектрическое
состояние, и кристаллическая решетка становится симметричной. Изменение типа
кристаллической решетки при переходе через точку Кюри принято называть фазовым
переходом.
Образование доменов в кристаллах сегнетоэлектриков
связано с тем, что в том случае, когда все соседние элементарные ячейки
кристалла поляризованы в одном и том же направлении, вокруг кристалла
появляется внешнее электрическое поле. Наличие электрического поля повышает
энергию системы и для снижения энергии кристалл самопроизвольно разбивается на
домены.
Поскольку ниже температуры Кюри симметрия
кристаллической решетки уменьшается, то число направлений, вдоль которых
выгодна спонтанная поляризация соседних кристаллических решеток, сравнительно
мало. Такими направлениями будут направления типа
<111>.
Соответственно соседние домены могут быть разориентированы на 180 или на 90
градусов. Поскольку суммарные электрические моменты соседних доменов
антипараллельны или перпендикулярны, то в целом кристалл сегнетоэлектрика не
обладает электрическим моментом.
Важно отметить, что на границах доменов происходит
постепенный поворот дипольных моментов из одного направления в другое,
аналогично тому, как происходит этот поворот в ферромагнетиках. В этом еще одно
сходство сегнетоэлектриков с ферромагнетиками. Очевидно, что границы доменов в
сегнетоэлектриках взаимодействуют со структурными несовершенствами решетки так
же, как и ферромагнетиках.
При помещении сегнетоэлектрика
в электрическое поле некоторые домены имеют минимальную энергию, поскольку их
дипольные моменты совпадают с направлением поля. Для снижения суммарной
энергии материала эти домены растут, и суммарная поляризация сегнетоэлектрика
увеличивается (рис. 4). После того, как благоприятно ориентированные домены
заполнят весь кристалл, рост поляризации прекратится.
Известно, что диэлектрическая проницаемость
является отношением вектора электрического смещения к вектору напряженности
электрического поля
e=D/E. Таким образом, в
области резкого роста поляризации диэлектрическая проницаемость
сегнетоэлектриков максимальна.
Подобная зависимость диэлектрической проницаемости
сегнетоэлектриков от напряженности электрического поля позволяет использовать
такие материалы для изготовления датчиков напряженности электрического поля и
варикондов – нелинейных конденсаторов, емкость которых зависит от приложенного
напряжения.
Существенное влияние на поведение диэлектриков в
электрическом поле оказывает и температура. Как отмечалось ранее, при достижении некоторой
температуры сегнетоэлектрики переходят в параэлектрическое состояние. Эту
температуру называют температурой Кюри. Рассмотрим влияние температуры на
свойства сегнетоэлектриков подробнее, в качестве примера вновь возьмем титанат
бария. При повышении температуры кинетическая энергия ионов возрастает, и
взаимодействие между ионами кислорода и титана, образующими дипольные моменты,
ослабевает. Поэтому поворот диполей облегчается, и максимум поляризации
наблюдается при меньших значениях напряженности электрического поля.
Следовательно, диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков растет. При
равенстве энергии электростатического взаимодействия ионов кислорода и титана с
кинетической энергией колебаний ионов титана сегнетоэлектрик переходит в
параэлектрическое состояние. При этом диэлектрическая проницаемость достигает максимума. Дальнейший рост
температуры, приводит к тому, что тепловые колебания разориентируют диполи и диэлектрическая проницаемость снижается.
Из
приведенного рассмотрения вытекают две важные особенности сегнетоэлектриков.
Во-первых, сегнетоэлектрики можно использовать для изготовления датчиков
температуры. Во-вторых, изменение энергии электростатического взаимодействия
между ионами и изменение массы ионов при легировании позволяет изменять
температуру Кюри. Последнее обстоятельство позволяет создавать материалы с
размытой точкой Кюри, тогда в достаточно широком диапазоне температур у
сегнетоэлектрики будет достаточно большая диэлектрическая проницаемостью, что
позволяет использовать такие материалы для изготовления конденсаторов большой
емкости.
Кроме того, изменение точки Кюри при легировании
позволяет изготавливать компенсирующие конденсаторы, емкость которых изменяется
при нагреве и компенсирует изменение емкости других конденсаторов.
В качестве иллюстрации влияния легирования на свойства
сегнетоэлектриков рассмотрим легирование титаната бария цирконатом бария и
титанатом кальция.
Как видно из приведенных рисунков, легирование приводит к существенному
изменению свойств сегнетоэлектриков, поэтому на базе твердых растворов
изготавливаются материалы с различными свойствами.
Конденсаторная
сегнетоэлектрическая керамика. Для изготовления конденсаторной
сегнетоэлектрической керамики используют добавки, которые «размывают»
сегнетоэлектрический фазовый переход, что приводит к сглаживанию температурной
зависимости диэлектрической проницаемости. Следует, однако, отметить, что
сглаживание зависимости диэлектрической проницаемости от температуры ведет к
снижению диэлектрической проницаемости.
Среди
существующей конденсаторной сегнетокерамики можно выделить:
1.
Материалы
со слабо выраженной зависимостью диэлектрической проницаемости от температуры.
Типичным примером является сегнетокерамика Т-900. Данный материал является
твердым раствором титанатов стронция и висмута. Максимум диэлектрической
проницаемости соответствует точке Кюри, равной -140°С. В области рабочих температур (-50 +150°) температурная зависимость диэлектрической
проницаемости - слегка падающая. Среднее значение
e составляет 900.
2.
Материалы
со сглаженной зависимостью диэлектрической проницаемости от температуры.
Типичный представитель этого класса материалов сегнетокерамика - СМ-1. Данную
сегнетокерамику получают на основе титаната бария с добавкой окислов циркония и
висмута. Материал используется для изготовления малогабаритных конденсаторов на
низкие напряжения.
3.
Материалы
с максимальным значением диэлектрической проницаемости в заданном диапазоне
температур. Типичным представителем является материал Т-8000. Данный материал
является твердым раствором BaTiO3 – BaZrO3. Максимум диэлектрической проницаемости находится
в области комнатной температуры и составляет 8000. Используется для
изготовления конденсаторов при комнатной температуре, работающих в нешироком
диапазоне температур.
Сегнетоэлектрическая
керамика для варикондов. Варикондами называют нелинейные конденсаторы,
емкость которых зависит от напряженности электрического поля. Одна из важнейших
характеристик варикондов – коэффициент нелинейности К – отношение
максимального значения диэлектрической проницаемости к начальной
диэлектрической проницаемости. Коэффициент нелинейности для различных
материалов изменяется от 4 до 50. Основной кристаллической фазой в таких
материалах являются твердые растворы системы Ba(Ti,Sn)O3
или Pb(Ni,Zr,Sn)O3.
Сегнетоэлектрики
с прямоугольной формой петли гистерезиса. Благодаря диэлектрическому
гистерезису сегнетоэлектрики можно использовать для записи информации.
Поляризация в одном направлении означает хранение в памяти единицы, а
поляризация в другом направлении означает хранение нуля. Для этих целей
наиболее подходят материалы с петлей гистерезиса, близкой к прямоугольной.
Прямоугольная петля гистерезиса наблюдается в монокристаллических
сегнетоэлектриках.
Пьезоэлектрики.
В 1880 году
братьями П. и Ж. Кюри был открыт прямой пьезоэффект – возникновение
электростатических зарядов на пластинке, вырезанной из кристалла кварца, под
действием механических напряжений. Эти заряды пропорциональны механическому
напряжению, меняют знак вместе с ним и исчезают после снятия напряжений.
Наряду с
прямым пьезоэффектом, наблюдается и обратный пьезоэффект, когда под действием
электрического поля возникает механическая деформация кристалла, причем
величина механической деформации прямо пропорциональна напряженности
электрического поля.
Обратный
пьезоэффект не следует смешивать с электрострикцией – деформацией диэлектриков
под действием электрического поля. Электрострикция наблюдается как в твердых
диэлектриках, так и жидких, тогда как пьезоэффект наблюдается только в твердых
диэлектриках с определенной кристаллической структурой. Кроме того, при
электрострикции наблюдается квадратичная зависимость между напряженностью поля
и деформацией, а при пьезоэффекте – зависимость линейная.
Пьезоэлектрический
эффект наблюдается только тогда, когда кристаллическая решетка несимметрична.
Отсутствие центра симметрии кристаллической решетки является необходимым, но
недостаточным условием появления пьезоэлектрического эффекта.
Как отмечалось выше, при прямом пьезоэффекте заряды на поверхности
диэлектрика пропорциональны приложенной силе.
|