Подготовили: Альдебенева К., Крюкова А. Группа 332
Сегнетоэлектриками называются вещества, обладающие спонтанной электрической поляризацией, которая может быть обращена приложением электрического поля E подходящей величины и определенного направления.
Гистерезис (от греч. hysteresis — отставание, запаздывание), явление, которое состоит в том, что физическая величина, характеризующая состояние тела неоднозначно зависит от физические величины, характеризующей внешние условия. Рис. Петля диэлектрического гистерезиса в сегнетоэлектрике: Р — поляризация образца; Е — напряжённость электрического поля.
СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ РАДИОТЕХНИКА ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА ЭЛЕКТРОАКУСТИКА КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
В термине «сегнетоэлектрики» нашел свое отражение тот факт, что первые сегнетоэлектрические свойства были обнаружены у сегнетовой соли.
Группа «смещения» Сегнетоэлектрики группы перовскита могут существовать в виде монокристаллов или керамики. Характерная особенность структуры кристаллов этой группы - наличие кислородного октаэдра, внутри которого располагается 4- или 5- валентный ион Ti, Zr, Nb или другой ион с малым ионным радиусом. Возникновение спонтанной поляризации в них связано с изменением ионов титана. Важная особенность таких сегнетоэлектриков способность образовывать твердые растворы с соединениями аналогичной структуры, например BaTiO 3 -SrTiO 3, PbTiO 3 -PbZrO 3. Сегнетоэлектрики группы псевдоильменита имеют ромбоэдрическую структуру. Характерная особенность кристаллов группы псевдоильменита - высокая температура Кюри. Эти кристаллы наиболее широко применяются в акустических устройствах на поверхностных объемных волнах: пьезопреобразователях, полосовых фильтрах, резонаторах, линиях задержки, ВЧ акустооптических модуляторах; они применяются также в устройствах нелинейной оптики и электроники и в пироприемниках
Основные свойства сегнетоэлектриков Сегнетоэлектрический домен - это макроскопическая область, в которой направление спонтанной поляризации одинаково и отличается от направления спонтанной поляризации в соседних доменах. Внешнее электрическое поле изменяет направления электрических моментов доменов, что создает эффект очень сильной поляризации.
Доменная поляризация связана с процессами зарождения и роста новых доменов за счет смещения доменных границ, которые в итоге вызывают переориентацию вектора спонтанной поляризованности в направлении внешнего электрического поля. Рис. 1: Схематическое изображение элементарной ячейки сегнетоэлектрика в полярной фазе (а и б) и в неполярной фазе (в); стрелки указывают направление дипольных моментов.
Кривую ОАВ называют основной кривой поляризации сегнетоэлектрика При воздействии слабого электрического поля связь между D и Е носит приблизительно линейный характер (участок ОА). В области более сильных полей (область АВ) смещение доменных границ носит необратимый характер При некоторой напряженности поля, соответствующей точке В, все домены оказываются ориентированными по полю. Наступает состояние технического насыщения. Рис. 2: Основную кривая поляризации сегнетоэлектрика
Переполяризация сегнетоэлектрика в переменных полях сопровождается диэлектрическим гистерезисом Диэлектрический гистерезис обусловлен необратимым смещением доменных границ под действием поля и свидетельствует о дополнительном механизме диэлектрических потерь, связанных с затратами энергии на ориентацию доменов.
Выше температуры перехода Т K температурная зависимость диэлектрической проницаемости часто хорошо апроксимируется законом Кюри-Вейса : = 4 С / ( Т-Тс ), где С — константа Кюри. Ниже температуры перехода быстро уменьшается. Статическая диэлектрическая проницаемость ст определяется по основной кривой поляризации сегнетоэлектрика: ст = D/( 0 Е) = 1 + Р/( 0 Е) Р/( 0 Е) Эффективную диэлектрическую проницаемость эф, как и эффективную емкость конденсатора, определяют по действующему значению тока I (не синусоидального), проходящего в цепи с нелинейным элементом при заданном действующем напряжении U с угловой частотой : эф ~ С эф = I/( U)
1) изготовление малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью; 2) использование материалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и других управляемых устройств; 3) использование сегнетоэлементов в счетно-вычислительной технике в качестве ячеек памяти; 4) использование кристаллов сегнето - и антисегнетоэлектриков для модуляции и преобразования лазерного излучения; 5) изготовление пьезоэлектрических и пироэлектрических преобразователей.
В промышленности используют несколько сегнетокерамических материалов, каждый из которых применяют для определенных типов конденсаторов. Среди существующей конденсаторной сегнетокерамики можно выделить: 1) материалы со слабо выраженной температурной зависимостью диэлектрической проницаемости, например, Т - 900; 2) материалы со сглаженной зависимостью диэлектрической проницаемости от температуры, например, СМ-1; 3) материалы с максимальным значением диэлектрической проницаемости в определенном интервале температур, например Т-8000.
Распространены и другие сегнетокерамические материалы для конденсаторов, отличающиеся большей диэлектрической проницаемостью и более сглаженной зависимостью ее от температуры. Материалы для варикондов имеют резко выраженные нелинейные свойства; применяются для изготовления нелинейных конденсаторов — варикондов.
Вариконды предназначены для управления параметрами электрических цепей за счет изменения их емкости при воздействии как постоянного или переменного напряжения, так и нескольких напряжений, приложенных одновременно и различающихся по значению и частоте.
Нелинейные диэлектрические элементы, обычно в тонкопленочном исполнении, являются основой разнообразных радиотехнических устройств — параметрических усилителей, низкочастотных усилителей мощности, фазовращателей, умножителей частоты, модуляторов, стабилизаторов напряжения, управляемых фильтров и др. стабилизаторы напряжения н изкочастотный усилитель мощности
Кристаллы ряда сегнето - и антисегнетоэлектриков обладают сильно выраженным электрооптическим эффектом, под которым понимают изменение показателя преломления среды, вызванное внешним статическим электрическим полем. Если изменение показателя преломления пропорционально первой степени напряженности, то электрооптический эффект называют линейным (или эффектом Поккельса ). Если же наблюдается квадратичная зависимость от напряженности поля, то электрооптический эффект называют квадратичным (или эффектом Керра).
Электрооптические свойства сегнетоэлектрических кристаллов используются для модуляции лазерного излучения. Модуляция светового потока проще всего осуществляется электрическим полем, приложенным к кристаллу, находящемуся между двумя скрещенными поляроидами. Действие такого модулятора основано на зависимости плоскости поляризации светового луча, проходящего через кристалл, от напряженности электрического поля.
При воздействии мощных световых пучков, создаваемых с помощью лазеров, во многих сегнето - и антисегнетоэлектриках проявляются нелинейные оптические эффекты. Большой практический интерес представляет преобразование ИК-излучения лазеров (обычно с = 1,06 мкм) в видимый свет. Высокую эффективность такого преобразования обеспечивают кристаллы KH 2 PO 4, LiNbO 3, LiIO 3 ( йодат лития), Ba 2 NaNb 5 O 15 и др.
Ниобат лития широко применяется в телекоммуникационных устройствах благодаря своим прекрасным сегнето - и пьезоэлектрическим свойствам. Подобно тому, как магнитные материалы «запоминают» магнитное поле, сегнетоэлектрики в определенных условиях могут «запомнить» поле электрическое. Эта особенность широко используется при изготовлении электромагнитных детекторов.
В данном классе материалов — сегнетоэлектриках, есть самое замечательное свойство, и оно состоит в том, что в них существуют области одинаково направленной спонтанной поляризации — сегнетоэлектрические домены. Под влиянием внешних воздействий сегнетоэлектрики могут переходить из многодоменного состояния в монодоменное. Многие сегнетоэлектрики обладают аномально высокими значениями диэлектрической проницаемости и пьезоэлектрических констант, сильной зависимостью физических свойств от температуры, достигающих экстремальных значений и максимальной нелинейности в окрестности точки фазового перехода сегнетоэлектрика в сегнетоэлектрическую фазу.
1. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники, 2-е изд. — М.: ВШ., 1986. 2. Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики. Смоленский Т.А., Боков В.А., Крайник Н.Н., Пасынков Р.Е., Шур М.С. изд-во «Наука»., М, 1979. 3. Дж Барфут. Введение в физику сегнетоэлектрических явлений. Пер. с англ. Н.Р. Иванова. Под ред. Л.А. Шувалова. Издат. «Мир» — М. 1970. 4. Сегнетоэлектрики и ферромагнетики (Сборник статей. П.П. Пугачевич и др.) Калинин, 1973. 5. Электроника: Энциклопедический словарь. Гл. ред. В.Г. Колесников, — М.: Сов. Энциклопедия, 1991. 6. Технология конструкционных материалов Лахтин Ю.М. – М., 1991 7. Сегнетоэлектрики в технике СВЧ (О.Г. Вендик, И.В. Иванов, А.И. Соколов и др.); под ред. О.Т. Вендика. — М.: Сов. Радио 1979 Литература
