Сегнетоэлектрики

Сегнетоэлектрики

Сегнетоэлектрики

Сегнетоэлектрикаминазывают вещества, обладающие спонтаннойполяризацией, направление которой можетбыть изменено с помощью внешнегоэлектрического поля. Сегнетоэлектрикиимеют доменную структуру.

Доменыпредставляют собой макроскопическиеобласти, обладающие спонтанной(самопроизвольной) поляризацией. Линейныеразмеры доменов составляют от 1 мкм до1 мм.

Направление электрических моментову разных доменов различно, поэтомусуммарная поляризованность материаламожет быть равна нулю.

Внешнееэлектрическое поле изменяет направленияэлектрических моментов доменов, чтосоздает эффект очень сильной поляризации.

Доменная поляризация связана с процессамизарождения и роста новых доменов засчет смещения доменных границ, которыев итоге вызывают переориентацию вектораспонтанной поляризованности в направлениивнешнего электрического поля.

Следствиемэтого является нелинейная зависимостьэлектрической индукции от напряженностиполя (рис.8.1). При изменении направленияполя кривая описывает гистерезиснуюпетлю. Точки В и С определяют состояниетехнического насыщения, Ескоэрцитивная сила,Drостаточная электрическая индукция.

Площадь гистерезисной петли пропорциональнаэнергии, рассеиваемой в диэлектрике заодин период. Совокупность вершингистерезисных петель, полученных приразличных значениях амплитуды переменногополя, образует основную кривую поляризациисегнетоэлектрика.

Специфичныесвойства сегнетоэлектриков проявляютсялишь в определенном диапазоне температур.В процессе нагревания выше некоторойтемпературы происходит распад доменнойструктуры, и сегнетоэлектрик переходитв параэлектрическое состояние. Температуратакого фазового перехода получиланазвание сегнетоэлектрической точкиКюри (Тк).

По типухимической связи и физическим свойствамвсе сегнетоэлектрики подразделяют на2 вида: ионные и дипольные кристаллы.

Упервой группы характерным структурнымэлементом является кислородный октаэдр,благодаря чему эти материалы получилиназвание сегнетоэлектриковкислородно-октаэдрического типа.

К нимотносятся: титанат бария (BaTiO3),титанат свинца (PbTiO3),ниобат калия (KNbO3),ниобат лития (LiNbO3),танталат лития (LiTaO3),йодат калия(KJO3),барий-натриевый ниобат или сокращенноБАНАН (Ba2NaNb5O15)и др.

У дипольныхсегнетоэлектриков имеются готовыеполярные группы атомов, способныезанимать различные положения равновесия.К ним относятся: сегнетова соль(NaKC4H4O64H2O),триглицинсульфат ((NH2CH2COOH)3H2SO4),дигидрофосфат натрия (KH2PO4),нитрат натрия (NaNO2)и др.

Б

Рис.8.2. Идеальная форма кристалла кварца и его главные оси. а-левый кварц б-правый кварц

ольшинство сегнетоэлектриков первойгруппы имеют значительно более высокуюТк и большее значение спонтаннойполяризованности, чем сегнетоэлектрикивторой группы.

Пьезоэлектрики

К пьезоэлектрикамотносят диэлектрики, способныеполяризоваться под действием механическихнапряжений. При этом возникающий накаждой из поверхностей диэлектрикаэлектрический заряд (q)линейно зависит от действующей силы(F):q=d·F.

Коэффициентпропорциональности dназывается пьезомодулем. Значениепьезомодуля используемых на практикематериалов составляет около 10-10Кл/Н.Пьезоэффект обратим: при действииэлектрического поля пьезоэлектрикиизменяют свои размеры (так называемаяэлектрострикция).

Однимиз распостраненых пьезоматериаловявляется монокристаллический кварц.Это одна из модификаций двуокиси кремния.Пьезосвойства существуют лишь у -кварца,устойчивого до температуры 573оС.Выше этой температуры изменяется типструктуры, и пьезосвойства исчезают.Крупные природные кристаллы кварцаполучили название горного хрусталя.

Обычно природные кристаллы имеют формушестигранной призмы (рис.8.2), что отражаетсимметрию внутреннего строения.

Вкристаллах кварца принято различатьтри главные оси, образующие прямоугольнуюсистему координат: Х-электрическая ось,проходящая через вершины шестиугольникапоперечного сечения (таких осей имеетсятри), Y-механическаяось, перпендикулярная сторонамшестиугольника (тоже три),Z-оптическаяось, проходящая через вершины кристалла.

Пластинки, вырезанные перпендикулярнооптической оси, не обладают пьезоэффектом.Наибольший заряд создается в том случае,когда пластины вырезаны перпендикулярноэлектрической оси Х. Если заряды набольших гранях пластинки образуютсяпри действии силы по оси Х, то пьезоэффектназывают продольным (при этом пьезомодулькварцаd11=2,310-12Кл/Н).

Если заряды на тех же гранях возникаютв результате приложения усилий к боковымграням пластинки, то пьезоэффект называютпоперечным. При изменении действующихсил (сжимающих или растягивающих) знакиэлектрических зарядов на гранях меняются.

Ввидуограниченности запасов природногокварца основные потребности пьезотехникиудовлетворяются искусственно выращеннымикристаллами. Их получают гидротермальнымметодом.

Кристаллизация происходит изводно-щелочных растворов в стальныхавтоклавах большой емкости при Т=350-400оСи давлениях порядка 100 МПа.

Из-за малойрастворимости кремнезема в водныхрастворах длительность одного циклавыращивания составляет несколькомесяцев.

П

Рис.8.3. Состояние зарядов электрета с течением времени.

1-гомозаряд, 2-гетерозаряд, 3-поляризующий электрод.

омимо кварца в различныхпьезопреобразователях применяюткристаллы сульфата лития, сегнетовойсоли, дигидрофосфата аммония, а такжениобат и танталат лития.

Широкоеприменение в качестве пьезоматериаланаходит сегнетоэлектрическая керамика.Для придания нужных свойств ее подвергаютвоздействию сильного электрическогополя, после чего в материале сохраняетсяустойчивая поляризованность.

Пьезокерамикаимеет перед монокристаллами топреимущество, что из нее можно изготовитьактивный элемент практически любогоразмера и формы.

Наибольшее распространениенашла пьезокерамика на основе твердыхрастворов PbZrO3-PbTiO3(цирконат-титанат свинца илиЦТС-керамика),BaNb2O6-BaNb2O6,NaNbO3-NaNbO3и др.

Источник: https://studfile.net/preview/6391855/page:19/

Сегнетоэлектрики и ферроэлектрики

Довольно часто сегнетоэлектрики сравнивают с ферроэлектриками (аналогия формальная). Яркими примерами сегнетоэлектриков служат сегнетова соль ($NaKC_4H_4O_6\cdot 4H_2O$), которая дала название этому классу диэлектриков, титанат бария ($BaTiO_3$). Известно более ста разных чистых сегнетоэлектриков и большое количество сегнетоэлектрических растворов.

Сегнетоэлектрики характеризуются рядом аномальных диэлектрических и других физических свойств (пьезоэлектрических, электрооптических и других).

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Сильное взаимодействие дипольных моментов молекул в сегнетоэлектриках ведет к тому, что возникает конечная поляризованность ($\overrightarrow{P}$) при бесконечно малой напряженности поля ($\overrightarrow{E}$). То есть возникает спонтанная поляризация, при которой отдельные дипольные моменты ориентируются в одном направлении.

Мы знаем, что постоянные дипольные моменты в несколько раз больше, чем индуцированные, значит, можно сделать вывод о том, что спонтанная поляризация характеризуется большой поляризованностью.

Выше сказанное приводит к тому, что восприимчивость $(\varkappa)$ и диэлектрическая проницаемость ($\varepsilon $) существенно больше, чем у неполярных и остальных полярных диэлектриков.

Сегнетоэлектрики способны переходить из состояния с эффектом сегнетоэлектрика в состояние, когда спонтанная поляризация не работает, то есть состояние обычного полярного диэлектрика. Физически этот переход означает, что существуют механизмы, которые ослабляют взаимодействия дипольных моментов молекул.

Направление спонтанной поляризации можно изменить у сегнетоэлектриков как используя внешнее поле, так и за счет механического напряжения.

Точка Кюри

При повышении температуры сегнетоэлектрика выше некоторого значения, которое называют, точкой Кюри, его специфические свойства исчезают и он превращается в обычный полярный диэлектрик.

Для каждого сегнетоэлектрика точка Кюри своя. При переходе диэлектрика из сегнетоэлектрика в состояние полярного $\varepsilon $ изменяется непрерывно.

От значения, которое соответствует состоянию сегнетоэлектрика до значения для полярного диэлектрика.

Закон изменения диэлектрической восприимчивости

Закон изменения диэлектрической восприимчивости около точки Кюри в неполярной фазе можно записать как:

\[\varkappa =\frac{A}{T-T_0}\left(1\right),\]

где $A$ — постоянная. $T_0$ — температура Кюри — Вейсса, близкая к температуре точки Кюри ($T_k$). Очень часто в формуле (1) вместо $T_0$ используют $T_k$.

Спонтанная поляризация

Спонтанная поляризация — источник очень больших электрических полей. Если макроскопический объем сегнетоэлектрика спонтанно поляризован в каком-то направлении, вокруг этого объема возникает электрическое поле с большой напряженностью.

Соответственно с этим полем связана большая энергия. Мы знаем, что устойчивое состояние характеризуется минимальной потенциальной энергией, поэтому система стремится перейти в состояние, в котором существовала спонтанная поляризация, но энергия поля была минимальна. Это может реализовываться в результате разделения объема сегнетоэлектрика на небольшие области, в каждой из которых, присутствует спонтанная поляризация в каком то выделенном направлении. Направления поляризации для разных областей отличны. В результате получается, что средняя поляризованность всего объема сегнетоэлектрика равна нулю. Следовательно, равна нулю напряженность поля, которое порождается этим диэлектриком. Небольшие области, обладающие спонтанной поляризацией, называются диэлектрическими доменами. Получается, что неполяризованный сегнетоэлектрик является совокупностью доменов с беспорядочно ориентированными спонтанными поляризованностями.

Понятно, что для того, чтобы уменьшить энергию полей, следует уменьшать объемы доменов. Однако это уменьшение не может быть бесконечным. Делению доменов препятствует наличие поверхностной энергии на границе соседних доменов.

При уменьшении отдельных доменов, растет их количество, следовательно, сумма поверхностей границ увеличивается, а значит, увеличивается поверхностная энергия. Получается, что домены могут уменьшаться только до определенных размеров, когда это ведет к уменьшению полной энергии системы.

Этим фиксируется размер домена, который составляет примерно тысячи межмолекулярных расстояний.

Существование доменов доказано опытным путем. Их наблюдают с помощью поляризованного света и в опытах по травлению поверхности сегнетоэлектрика, так как разные части домена при травлении разрушаются с различной скоростью.

Таким образом, процесс поляризованности сегнетоэлектрика во внешнем поле состоит в переориентации дипольных моментов отдельных доменов, изменении объемов и движении границ между доменами. Эти процессы и в настоящее время изучаются.

Антисегнетоэлектрики

Существуют антисегнетоэлектрики. У этих веществ при определенных условиях в кристалле возникают одновременно две спонтанные поляризации, направленные против друг друга.

Одна поляризация возникает как результат ориентировки дипольных моментов молекул одной из подрешеток кристалла (одно направление), вторая — результат ориентировки дипольных моментов молекул другой подрешетки (противоположное направление).

Суммарная поляризация такого кристалла равна нулю. По структуре антисегнетоэлектрики аналогичны антиферромагнетикам, их иногда называют антиферроэлектриками.

В полях с небольшой напряженностью антисегнетоэлектрики ведут себя как обычные диэлектрики и обладают поляризованностью, которая линейно зависит от напряженности внешнего поля. В сильных полях у подобных веществ возможен переход в сегнетоэлектрическое состояние. При большом модуле напряженности поля (большие колебания напряжения) у антисегнетоэлектриков наблюдаются две петли гистерезиса.

В соответствии с типом химической связи все сегнетоэлектрики делят на: ионные кристаллы и дипольные кристаллы.

У соединений, которые относят к первой группе, структурным элементом кристаллической решетки является кислородный октаэдр. Пример, титанат бария, титанат свинца.

У сегнетоэлектриков второй группы присутствуют готовые полярные группы атомов, которые могут занимать положения равновесия (сегнетова соль, нитрит натрия).

Пример 1

Задание: Выделите ряд свойств, которые отличают сегнетоэлектрики от остальных диэлектриков.

Решение:

  1. Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков существенно выше, чем обычных диэлектриков. Так, например, диэлектрическая проницаемость воды одна из самых высоких среди обычных диэлектриков составляет $\varepsilon =81$, диэлектрическая проницаемость сегнетовой соли в полярной фазе $\varepsilon \approx {10}4$. В неполярной фазе сегнетоэлектрик ведет себя как полярный диэлектрик.
  2. У сегнетоэлектриков в полярной фазе зависимость $\overrightarrow{P}(\overrightarrow{E})$ не является линейной, следовательно, диэлектрическая проницаемость зависит от напряженности поля.
  3. Значение поляризованности $\overrightarrow{P}$зависит от истории изменения напряженности поля с эти диэлектриком. Поляризованность отстает от $\overrightarrow{E}$. Присутствует явление гистерезиса. Если процесс проводится циклический, то зависимость $\overrightarrow{P}(\overrightarrow{E})$ изображают в виде кривой, которая носит название петли гистерезиса. При обращении напряженности в ноль, в сегнетоэлектрике существует остаточная поляризованность.
  4. Сегнетоэлектрики — кристаллические вещества, у которых нет центра симметрии.
  5. Свойства сегнетоэлектриков свойства сильно зависят от температуры. При температурах, которые превышают температуру Кюри (разную для различных диэлектриков) сегнетоэлектрик становится в обычным полярным диэлектриком. Иногда существует две точки Кюри (верхняя и нижняя). Так для сегнетовой соли $T_{k1}=+24{\rm{}\circ\!C}\ и\ T_{k2}=-18{\rm{}\circ\!C}\ .$
  6. Сегнетоэлектрики обладают доменной структурой.

Пример 2

Задание: Что называют сегнетоэлектрической точкой Кюри?

Решение:

Особенные свойства сегнетоэлектрики проявляют только в определенном температурном диапазоне.

Если сегнетоэлектрик нагреть (а иногда охладить) выше, чем некоторая определенная температура произойдет распад доменной структуры и тогда сегнетоэлектрик перейдет в параэлектрик.

Температура такого фазового перехода получила и называется сегнетоэлектрической точкой Кюри. В точке Кюри спонтанная поляризованность исчезает, а диэлектрическая проницаемость достигает своего максимума (рис.1).

Рис. 1

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/elektrostatika/segnetoelektriki/

Характеристики некоторых сегнетоэлектриков

Сегнетоэлектрики

Сегнетоэлектрики, кристаллические диэлектрики, обладающие в определённом интервале температур спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, которая существенно изменяется под влиянием внешних воздействий. Электрические свойства С.

во многом подобны магнитным свойствам ферромагнетиков (отсюда название ферроэлектрики, принятое в зарубежной литературе). К числу наиболее исследованных и используемых на практике С.

относятся титанат бария, сегнетова соль (давшая название всей группе кристаллов), триглицинсульфат, дигидрофосфат калия 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 кристалла (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 кристалле (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 P образца практически равен нулю. Рис. 4 поясняет причину образования доменов в идеальном кристалле.

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 кристалла 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 неё влияет характер распределения по образцу дефектов в кристаллах, внутренних напряжений и др. неоднородностей, неизбежно присутствующих в реальных кристаллах.

  Наличие доменов существенно сказывается на свойствах С. Под действием электрического поля доменные границы смещаются так, что объёмы доменов, поляризованных по полю, увеличиваются за счёт объёмов доменов, поляризованных против поля.

Доменные границы обычно «закреплены» на дефектах и неоднородностях в кристалле, и необходимы электрического поля достаточной величины, чтобы их перемещать по образцу. В сильном поле образец целиком поляризуется по полю — становится однодомённым.

После выключения поля в течение длительного времени образец остаётся поляризованным. Необходимо достаточно сильное электрическое поле противоположного направления, называется коэрцитивным, чтобы суммарные объёмы доменов противоположного знака сравнялись.

В сильном поле происходит полная переполяризация образца. Зависимость поляризации P образца от напряжённости электрического поля Е нелинейна и имеет вид петли гистерезиса.

Сильное изменение поляризации образца под действием электрического поля за счёт смещения доменных границ обусловливает тот факт, что диэлектрическая проницаемость e многодомéнного С. больше, чем однодомённого.

Значение e тем больше, чем слабее закреплены доменные границы на дефектах и на поверхности кристалла.Величина e в С. существенно зависит от напряжённости электрического поля, т. е. С. обладают нелинейными свойствами.

КристаллФормулаТочка Кюри Tc, °СМаксимальная спонтанная поляризация Ps, мкк×см-2Точечные группы симметрии*
неполяр- ная фазаполярная фаза
Титанат барияСегнетова сольТриглицинсульфатДигидрофосфат калияДидейтерофосфат калияФторбериллат аммонияМолибдат гадолинияНиобат литияТитанат висмутаBaTiO3KNaC4H4O6×4Н2О(NH2CH2COOH)3×H2SO4KH2PO4KD2PO4(NH4)2BeF4Cd2(MoO4)3LiNbO3Bi4Ti3O12133—18; 2449—150—51—971591210675250,252,85,16,10,150,1850—m3m2222m42m42mmmm42m3m4/mmm4mm22mm2mm2mm2mm23mm

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

  При нагревании С. спонтанная поляризация, как правило, исчезает при определённой температуре Тс, называется точкой Кюри, 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 кристалла (в отличие от магнетиков).

В разных С. Тс сильно различаются (см. табл.).

  Величина спонтанной поляризации Ps обычно сильно изменяется с температурой вблизи фазового перехода. Она исчезает в самой точке Кюри Тс либо скачком (фазовый переход 1-го рода, например в титанате бария), 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 Кюри (рис. 5) связан с увеличением «податливости» кристалла 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 титанате бария, рис.

2), либо упорядочением ориентации электрических диполей, существовавших и в неполярной фазе (фазовый переход типа порядок — беспорядок, например в дигидрофосфате калия). В некоторых С.

спонтанная поляризация может возникать как вторичный эффект, сопровождающий перестройку структуры кристалла, не связанную непосредственно с поляризацией. Такие С., называются несобственными (например, молибдат гадолиния), обладают рядом особенностей: e слабо зависит от Т, в точке Кюри значение e невелико, и др.

  В области фазового перехода наблюдаются изменения и в фононном спектре кристалла (см. Колебания кристаллической решётки). Они наиболее четко выражены для переходов типа смещения. Частота одного из оптических колебаний кристаллической решётки существенно падает при приближении к Тс, 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 Ps (T).

Сегнетоэлектрическими свойствами обладают некоторые полупроводники и магнитоупорядоченные вещества. Сочетание различных свойств приводит к новым эффектам, например магнитоэлектрическим.

В некоторых диэлектриках при фазовом переходе с изменением кристаллической 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, плёнки) широко применяются в технике и в научном эксперименте. Благодаря большим значениям e их используют в качестве материала для конденсаторов высокой удельной ёмкости. Большие значения пьезоэлектрических констант обусловливают применение С.

в качестве пьезоэлектрических материалов в приёмниках 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 приёмниках 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 кристаллы, пер. с англ., М., 1965; Фейнман Р., Лэйтон Р., Сэндс М., Фейнмановские лекции по физике, [пер. с англ.], т. 5, М., 1966; Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики, Л., 1971; Жёлудев И. С., Основы сегнетоэлектричества, М., 1973.

  А. П. Леванюк, Д. Г. Санников.

Рис. 5. Зависимость Ps(T) и E(Т) для триглицинсульфата. Индексы а, b, с соответствуют направлению вдоль трёх кристаллографических осей. Спонтанная поляризация возникает вдоль оси b.

Рис. 3. Микрофотография доменов сегнетовой соли, полученная с использованием поляризованного света. Тёмные и светлые области отвечают доменам с противоположными направлениями спонтанной поляризации.

Рис. 2. Схематическое изображение элементарной ячейки сегнетоэлектрика в полярной фазе (а и б) и в неполярной фазе (в); стрелки указывают направление электрических дипольных моментов.

Рис. 4. Взаимодействие электрического поля Е одной части образца со спонтанной поляризацией другой его части.

Рис. 1. Схематическое изображение элементарной ячейки пироэлектрика. Стрелки указывают направления электрических дипольных моментов.

Оглавление

Источник: https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/100/712.htm

Сегнетоэлектрики — это… что такое сегнетоэлектрики?

Сегнетоэлектрики

— кристаллич. диэлектрики (полупроводники),обладающие в определённом диапазоне темп-р спонтанной поляризацией, к-раясущественно изменяется под влиянием внеш. воздействий. Структуру С.

можнопредставить как результат фазового перехода кристалла с искажением структуры(понижением симметрии) из неполярной структуры (параэлектрич. фазы) в полярную(сегнетоэлектрич. фазу). В большинстве случаев это искажение структурытакое же, как и при воздействии электрич.

поля на кристалл в неполярной(параэлектрич.) фазе. Такие С. наз. собственными, а искажение неполярнойструктуры связано с появлением спонтанной электрич. поляризации. В рядеС.

поляризация возникает как вторичный эффект, сопровождающий перестройкуструктуры, к-рая не связана непосредственно с поляризацией и не может бытьвызвана электрич. полем. Такие С. наз. несобственными.

Как правило, наблюдается фазовый переход непосредственно между сегнето-и параэлектрической (более симметричной) фазами. Однако есть кристаллы, фаза с особымисвойствами — т. н. несоразмерная фаза (см. ниже).

Особенностью всех С. является относит. близость структур пара- и сегнетоэлектрич.

Пъезоэлектрики )и пироэлектрических (см. Пароэлектрики )постоянных. Сегнетоэлектрич. свойства были впервые обнаружены у кристалловсегнетовой соли KNaC4H4O6*4H2O(1921), а затем у дигидрофосфата калия КН 2 РО 4 (1935).Интенсивные исследования С. начались в 1945, когда были обнаружены сегнетоэлектрич.

3 — родоначальника обширного семействаС. кислородно-октаэдрич. типа. В 60-х гг. начались исследования несобств. Характеристики некоторых сегнетоэлектриков (С — собственный, )

Феноменологическая теория. Фазовые переходы в С.- переходы2-го рода или 1-го рода, близкие ко второму.

Для описания свойств С. вобласти фазовых переходов обычно используется теория Ландау, конкретизированнаяВ. Л. Гинзбургом применительно к С.

Теория исходит из факта существованияфазового перехода при понижении темп-ры до Т = Т к; характернойособенностью перехода является исчезновение нек-рых элементов симметрии, параметромпорядка

,к-рый равен О при . В собств. С. параметром порядка являются одна (одноосный С.) либо 2,3 (многоосный С.) компоненты вектора поляризации Р. В одноосномсобств. С., где а — пост. коэффициент. В несобств. С. h является многокомпонентнойвеличиной, связанной со смещениями атомов при переходе в несимметричнуюфазу.

В феноменелогич. теории термодинамич. потенциал Ф кристалла рассматриваетсякак ф-ция компонент параметра порядка. Для собственного одноосного С.,свободного от механич. напряжений, в электрич. поле Е имеем:

Здесь — компоненты векторов поляризации и электрич. поля Е вдоль полярной оси кристалла z. Для несобственногоодноосного С. (один из случаев):

Здесь -компоненты параметра порядка;- постоянные коэффициенты.

Равновесные свойства собственных и несобственных С. могут быть полученыпутём определения равновесных значений из условия минимума термоди-намич. потенциала Ф по отношению к этим величинам. Т компонент параметрапорядка ,спонтанной поляризации ,диэлектрич.

проницаемости ,теплоёмкости Ср (рис. 1). Так, спонтанная поляризация для собственныхС.:

Рис. 1.

Температурные зависимости компонент параметра порядка спонтанной поляризации ,диэлектрической проницаемости вдоль полярного направления г, теплоемкости С р для собственных(а) и несобственных (б) сегнетоэлектриков.

для несобственных С.:

«Вторичность» спонтанной поляризации в несобств. С. следует из того, . Диэлектрич. ,где С — постоянная. В несобств. С. s испытывает скачок при Т-Т к. В обоих случаях теплоёмкость С р меняетсяв точке фазового перехода скачком.

Поведение С.

в области Т~ Т к, следующее изтеории Ландау, экспериментально (в основном) подтверждается; имеющиесярасхождения связываются с дефектами кристаллич. структуры и флуктуац. флуктуации параметра порядка при .Поэтому она неверна в непосредств. близости к Т к.

В результатезависимости характеристик кристалла от Т оказываются вблизи Т к неаналитическими. Область, где отклонения от предсказаний теории Ландаувелики, в большинстве случаев узка, но тем не менее следует ожидать вблизи Т к, напр., отклонений от закона Кюри — Вейса (см.

Критическиепоказатели).

Из ур-ний (3)-(5) и рис. 1 следует, что в полярной фазе (при Т

Источник: https://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/2722/%D0%A1%D0%95%D0%93%D0%9D%D0%95%D0%A2%D0%9E%D0%AD%D0%9B%D0%95%D0%9A%D0%A2%D0%A0%D0%98%D0%9A%D0%98

Booksm
Добавить комментарий