Точка Кюри сегнетоэлектриков

����������� � ������� ���������� — ���������������� � ���������

Точка Кюри сегнетоэлектриков

����������� � ������� ��������� ����� � ��� ��������, ������������� ������������� ������ ��� ��������� �������� ������������������� ����. ������ ����� ������������ ���������� � �����, ������� ��������� ���������� ��������� ��������. � ����� ������������ � ���������� ���������� ��������� ���������������� � ���������. � ��� � ������ ���� �����.

����������������

���������������� ��� ���������� ����������� �������� ������� ���� ������� � 1920 ���� � ���������� ���������� ����, � ����� � � ������ ����������.

������ � ����� ���������� ���� � ������� ��������� �����������, ����������� ������ ��������, ��� ������ �������� ������� ����� ������� ������������������ ��� ����������������.

� 1930-1934 ����� ��������� ������������ ���������� ����������� ������������ ���� ��������� �� ������������� ���������� ���������� ��� ������������ ����� ����������� ���������.

����������, ��� ��� ���������������� ���������� ������������� ���� ���������� ����������� �������������������� �������, � ����������� ����� ��������� ���� ����� ����� �� ���� ���������.

���������� ����������� ����� ���������� ����������� � ���� ����� �������, ����� ��� � ������������ ������� ������� ����������� � ������ ������������ ��������.

�� ������ ������ ������� ����� �����������������.

���������������� ���������� ���������� ������� ����������.

�� ��������������� ������������� � � ������������ ��������� ���������� ��������� � �������� �� 1000 �� 10000, ������ ��� ���������� � ����������� �� �������� ������������� ������������ ������������������� ����, �� ���������� � ���� �� ���������. ��� ���������� ��� ����������� ���������������� �����������, ����� ���� ���������� ������ ����������� ���������������� � ������ �����������.

������ ����������� ���������������� ������� ����� ����������� ��� �������������� � ��������� ����. ����� ���� ����� ���������, �� ����� ����� ������, ��� ���� � ���������� �������� �������������� ����, ����� ��� ����� ����, � ��������� ����������� ������������ ���������� ����������������, ��� ���������� ������� �������� ��������� � ������� �������������� ������������ ������������ ����.

��� ����������������� ���������� � ����������� ����� ����, �� ���� �� �����������, ��� ������� ��������������� �������� ������ ���� ���������� ����������������, ��� ���� ��������� ������� ������� ������� ����. ��� ���������� ���� ����������� ����� ���� ��������� � ��������� �� +18 �� +24��.

������� ������� � ����������� �������������������� ������� � ���������� �����������, ����������� ��-�� �������� �������������� ����� ��������� ��������. �������� ��������� � �������� ������������� �������, ��� ���� ��-�� ������� ��� ���������� �������� ���������, �������� ���-�� �������� �� ������.

� ���������� ����� �������� �������������� ���� ���, ��������� ������������� ������� ��������� ����� ����, � ����� ������������� ������� ������������� ����, ������ ������ ��������� ���������������� ����� ����. ���������������� ������� ���������� � ���������������� ��������, ����� ��� ��������� � ������������ � ���������� ��������.

���������

����������� �������� �����������, ��������� ��������� �������������� ��������� � ������� ���������������� ������� ���� ����� ����, ��� ������� ������������������ ����, ��������� �����������, ���������. ���������� �������� ����������� �������� ����������� ���������� ���������.

�� ���� ����� ���������� ����������, � ����� �������� ������� ���������� ������������������ ����, ���� �� ����������, �� ������������ ����� ������� �������������� �������� �������������� �� ������������ ����.

������ ������������� �������� ������� �������� �� ������� �������������, �� ������������������ ���� �������� ����������� �� ��� ���, ���� �������� �� ����������.

����� ������������� �������� ��������� �������, ���� ����� ���������.

������� �������, � ������������ ����� ������ ��������� ��������, ����� ���������, ��� ������, ��� �������� �������� ����� ����������. ��� ������������� ���������, ��������� ��������� �������������� ��������� �� ���������� ���� �� ������ ���. ������� �������� (�������������) �������� ������� ��������� �� ������������ ����� � �������� �������� ����� �����, ��� ��������� � 1922 ����.

���������� ����������� ����������� ����� �������� ����� ���������� ������������ � ���������� �� ���� �������� ���������� ������ � ������� ���������� ���, ��������, � ������� �������� ���������� ������ �� ���������� ���� �� �������������� ����������� � � ���������� � �������� �����������. �������� ������ ����� ������ � ������� ������������, � ������� ��� ������ ��������� ������ ����������. �� �������� ������� ���������������� ��������� ��������� ��-�� �������������� ��������� � ����������� ��������� ������ ��� ��������� ����������� �������������� ���� ���������.

� �������� ����� ����������� ����� ��������� � ��������� ���������. �������� ���������� ��������� ���������� �� ���� � ������, �� ��������� � �������������� ������������ ������������������� ��� ������������������� ���������, �� ������, �������� � �. �.

����� ������� ���������� ���������� ����������, ��� ���������� ��������� �� ����������� ��������� � ������� ������������������ ����, � ����� � ��������, �� �������� ���� (����� ��������� ���������� ����������������).

����� �������� ������� � ������� ������������� ����, ��� �������� �������������. ��� �������� ������������� ��������� � ��������������. ������ ��������� � ����� ������� ������������������ ���� � ��������� ���������������. ��� � ��������� ���� � ���������������. ���������� ������������� �������� � ������������� ���� � ������������.

������������ ����������� �������� �������� ����������������. ������� � ��������������. � ���� �������� ��������� ������� � ����������������. ���������� ������������� �����, ����������� �� ���������, ����� ������� 0,00000001 ��/��.��.

��������� ���������� ������������� ������� ���������� � �������� ���������� ����������� ������������������� ���� � �������������, ����������, ����������� ��������, �������������, ����������� � �. �.

��� ������� ������ ��������������� ���������� � ����������, ����������� ������. ��� ���������� ����������� � ������� ��������, ���������� � �����������.

��������� ������������� ������� ���������� � �����������������.

Источник: http://ElectricalSchool.info/spravochnik/material/2215-dielektriki-segnetoelektriki-i-elektrety.html

13. Сегнетоэлектрики. Температура Кюри

Точка Кюри сегнетоэлектриков

Активными(управляемыми)диэлектрикаминазываютматериалы, свойствамикоторых можно управлять в широкихпределах с помо­щьювнешнего энергетического воздействия:напряженности элек­трическогоили магнитного поля, механическогонапряжения, тем­пературы,светового потока и др. В этом ихпринципиальное отличие отобычных (пассивных) диэлектриков.

Изактивных диэлектриков изготавливаютактивные элементы электронныхприборов.

Особенностью свойств этихматериалов яв­ляются такие явления,как сегнетоэлектричество, электретный,пье­зоэлектрическийи электрооптический эффекты, инжекционныетокии др.

, послужившие основой для разработкидиэлектрических приборов.Ниже рассматриваются особенностистроения и свойств некоторыхактивных диэлектриков, нашедших наиболееширокое применение.

7.15.1.Сегнетоэлектрики

Сегнетоэлектрикивотличие от обычных (пассивных) диэлектри­ковобладают регулируемыми электрическимихарактеристиками. Так, например,диэлектрическуюпроницаемость сегнетоэлектриков спомощью электрического напряженияможно изменять в широких пределах.

Характерная особенность сегнетоэлектриковзаключется в том,что у них наряду с электронной, ионнойи релаксационными видамиполяризации, вызываемыми внешнимэлектрическим полем наблюдаетсясамопроизвольная (спонтанная) поляризация,под дей­ствиемкоторой эти диэлектрики приобретаютдоменную структуру и характерныесегнетоэлектрические свойства.

Самопроизвольнаяполяризация проявляется в отсутствиеэлек­трическогополя в определенном интервале температурниже точки КюриТквследствиеизменениястроения элементарной ячейкикри­сталлическойрешетки и образования доменной структуры,что, в своюочередь, вызывает у сегнетоэлектриков:

  • необычно высокую диэлектрическую проницаемость (до де­сятков тысяч);
  • нелинейную зависимость поляризованности, а следовательно,и диэлектрической проницаемости от напряженности приложенногоэлектрического поля;
  • резко выраженную зависимость диэлектрической проницаемости от температуры;
  • наличие диэлектрического гистерезиса.

Указанныевыше свойства были детально изученыИ.В.Курчатовыми П.П.Кобеко у сегнетовой соли(натриево-калиевая соль винной кислотыNaKC4H4O6• 4Н2О), поэтому вещества, обладающие аналогичными свойствами, называютсегнетоэлектриками. Важней­шийдля практического применениясегнетоэлектрик — титанат бария —открыл в 1944 г. Б.М. Бул. Ряд сегнетоэлектриковбыл открыт Г.А.Смоленским и др.

Внастоящее время известно около 500материалов, обладающих сегнетоэлектрическимисвойствами. В зависимости от структурыэлементарнойячейки и механизма спонтанной поляризацииразличают сегнетоэлектрики ионные идипольные, иначе — сегнетоэлектрикитипа смещения и упорядочивающиеся,соответственно.

Ионныесегнетоэлектрикиимеютструктуру элементарной ячей­китипаперовскита (минералСаТiO3).К ним относятся:

титанатбарияВаТiO3(Тк=120°С),

титанатсвинца РbТiO3 (Тк= 493°С),

ти­танаткадмия CdTiО3(Тк= 223°С),

метаниобатсвинца PbNb2O6(Tk= 575°С),

ниобаткалия KNbO3(Tk= 435°С),

иодаткалия KNbO3 (Тк= 210°С)и др.

Всехимические соединения этой группынерастворимыв воде, обладают значительной механическойпрочностью, из­делияиз них получают по керамическойтехнологии. Они представ­ляютсобой в основномкристаллы с преимущественно ионнойсвязью.Для этой группы сегнетоэлектриковспонтанная поляриза­циясхематически показана на рис. 7.1 напримере элементарной ячейкиВаТiO3.

Элементарная ячейка титаната бария привысоких температурахимеет форму куба (а = 4,01•10-10м);в узлах куба распо­ложеныионы бария, в середине граней — ионыкислорода, образуя кислородныйоктаэдр, в центре которого размещен ионтитана (см.рис. 7.1, а,а').

Врезультате интенсивного тепловогодвижения ионтитана равновероятно находится вблизикаждого иона кисло­рода,поэтому электрический момент ячейкиввиду ее симметрич­ности равен нулюи диэлектрик находится в параэлектрическомсостоянии (термин аналогичен термину«парамагнетик»).

При тем­пературахравной и ниже некоторой, называемойточкой Кюри (Тк),ионтитана,благодаря ослаблению энергии тепловогодвижения, оказываетсяпреимущественно вблизи одного из ионовкислорода, смещаясь на 1•10-11 м.В этом же направлении смещаются и ионыба­рия(на 5•10 -12 м).

Ионкислорода, находящийся напротив О2-,к которому сместил­сяTi4+,сдвигается в противоположном направлении(на 4•10-12 м).

Врезультате этих смещений ионов кубическаярешетканезначитель­нодеформируется в тетрагональную(с параметрами элементарной ячейкиа=3,99 A ,с= 4,036A), а кислородныйоктаэдр не­сколькоискажается(см. рис. 7.1, б,б').

Хотявсе эти смещенияио­нов,в том числе и иона титана, сравнительномалы, тем не менее ониочень важны и приводятк образованию значительного электрическогодипольного момента Po–

Рис.7.1. Элементарная ячейка (а,а') титанатабария и ее проекция (б б') притемпературах выше (а,а') иниже точки Кюри (б,б')

Возникаетспонтаннаяполяризация ипроисходитфазовый переход диэлектрика изпараэлектрического со­стоянияв сегнетоэлектрическое.

Такимобразом, самопроизвольнаяполяризация ионных сегнетоэлектриковвозникает в отсутствие электрическогополя в опреде­ленноминтервале температур в результатесмещения иона Ti4+в объ­емеэлементарной ячейки из центральногоположения и деформации последней.

Дипольнымисегнетоэлектрикамиявляются

сегнетовасоль NaKC4H4O6• 4Н2О (Тк=24°С),

триглицинсульфат(NH2CH2COOH)3•H2SO4(Tk= 49°С),

гуaнидиналюминийсульфатгексагидратC(NH3)2A1(SO4)2•6Н2О(Тк> 200°С),

нитритнатрия NaNO2(Тк= 163°С),

дигидрофосфаткалия КН2Р04(Тк = -151 С) и др.

Химическиесоединения этой группыобладают низкой механической прочностьюи растворимы в воде,благодарячему из водных растворов этих соединенийможно выращивать крупные монокристаллы.Атомы в этих соединениях несутна себе заряд, но связаны между собойпреимущественнокова-лентнойсвязью.

Дипольныесегнетоэлектрики в элементарной ячейкесодержат атом(ион) или группу атомов (ионов), имеющихдва положения рав­новесия, в каждомиз которых образуется электрическийдипольный моментРо. При температурах выше точки Кюри врезультате хаоти­ческоготеплового движения эти два положенияравновесия равнове­роятны,поэтому спонтанная поляризацияотсутствует, и диэлектрик

ПриТ

Источник: https://studfile.net/preview/745388/page:10/

Точка Кюри сегнетоэлектриков

Точка Кюри сегнетоэлектриков

Определение

Сегнетоэлектрики это диэлектрики, которые обладают рядом специфических свойств, которые реализуются благодаря тому, что обладают доменной структурой и в некоторой области температур могут спонтанно поляризоваться, причем направление этой поляризации можно изменить с помощью электрического поля.

В некоторых твердых и жидких веществах при определенных внешних воздействиях происходят фазовые превращения без изменения их агрегатных состояний. Например, сегнетоэлектрик может превращаться в параэлектрик.

Что такое точка Кюри

Если повышать температуру сегнетоэлектрика до некоторой температуры ($T_k$), которая своя для каждого вещества, то сегнетоэлектрические свойства диэлектрика исчезают, и он становится обычным диэлектриком.

Такая точка фазового перехода из состояния сегнетоэлектрика в состояние полярного диэлектрика называется точкой Кюри, а соответствующая температура ($T_k$) — температурой Кюри. Существуют сегнетоэлектрики, у которых две точки Кюри, верхняя и нижняя.

Такие вещества сохраняют свои сегнетоэлектрические свойства в интервале температур, которые заданы верхней и нижней границами. Таких сегнетоэлектриков сравнительно не много. У большинства сегнетоэлектриков только верхняя точка Кюри.

График зависимости спонтанной поляризации сегнетоэлектрика ($P_S$) от температуры вблизи точки Кюри приведен на рис.1.

В окрестности фазового превращения (в точке Кюри) структура вещества сегнетоэлектрика оказывается податлива к внешним воздействиям. Даже небольшие изменения напряженности поля вблизи фазового перехода вызывают существенные изменения электрических свойств диэлектрика.

Вблизи точки Кюри у сегнетоэлектриков, находящихся в полярной фазе, значения диэлектрической проницаемости достигают очень больших значений, (вплоть до ${10}4-\ {10}5)$.

Например, у титаната бария $(BaTiO_3)$ точка Кюри лежит около температуры $120oC$, а диэлектрическая проницаемость достигает в максимуме $6000-7000$.

Надо отметить, что существуют сегнетоэлектрики и с не очень большой диэлектрической проницаемостью, например, некоторые водорастворимые сегнетоэлектрики имеют проницаемость $\varepsilon =5-6$.

Причем максимум диэлектрической проницаемости достигается в точке Кюри (рис.2).

Рис. 2

Закон изменения диэлектрической восприимчивости

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

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

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

где $A$ — постоянная. $T_0$ — температура Кюри — Вейсса, близкая к температуре точки Кюри ($T_k$). Очень часто в формуле (1) вместо $T_0$ используют $T_k$. В том случае, если у сегнетоэлектрика есть две точки Кюри, то вблизи второй точки закон Кюри-Вейсса запишется как:

\[\varkappa =\frac{A'}{{T'}_0-T}\left(2\right).\]

В случае неизотропных диэлектриков скалярная величина $\varkappa $ в формулах (1) и (2) должна быть заменена на тензор ${\varkappa }_{ij}.$ Температурная зависимость при этом не изменится.

На практике для сегнетоэлектриков закон Кюри-Вейсса можно записать для нахождения диэлектрической проницаемости в виде:

\[\varepsilon =\frac{С}{T-T_k}\left(3\right),\]

где $С=\frac{1}{\alpha T_k}$ — постоянная Кюри-Вейсса, $T_k$ — температура Кюри, при которой происходит фазовый переход, а $\alpha $ изменяет знак.

Если $С\sim {10}3$, то фазовый переход происходит с упорядочением некоторых структурных элементов, ионов, протонов или групп атомов. Такой переход иногда называют: порядок — беспорядок. Если $С\sim {10}5$, то переход типа смещения относительно положения равновесия.

Постоянную Кюри — Вейсса часто определяют из графика зависимости $\frac{1}{\varepsilon }=\frac{1}{\varepsilon }\left(T\right).$

Надо сказать, что разные сегнетоэлектрики могут обладать фазовыми переходами, как первого, так и второго рода. К сегнетоэлектрикам с фазовым переходом первого рода (рис. 1(а)) относят такие, которые испытывают скачки поляризации при постоянных температуре и давлении:

\[P_i=-{\left(\frac{\partial Ф}{\partial E_i}\right)}_{T,p}\left(4\right),\]

где $Ф$ — термодинамический потенциал, равный:

\[Ф=U-TS+pV-PE\ \left(5\right).\]

К сегнетоэлектрикам с фазовым переходом второго рода (рис.2(а)) относят диэлектрики, у которых скачком изменяется диэлектрическая восприимчивость (?) при постоянных давлении и температуре:

\[\varkappa =-{\left(\frac{{\partial }2Ф}{\partial {E_i}2}\right)}_{p,T}\left(6\right).\]

Наличие точки Кюри является характерным свойством всех сегнетоэлектриков.

Пример 1

Задание: Для гидрофосфата калия ($KH_2PO_4$) который является сегнетоэлектриком, поляризация в котором обусловлена смещением ионов водорода при температурах неблизких к точке Кюри, опыт дает:

\[\varepsilon =4,5+\frac{3100}{T-121}(1.1).\]

Определите, значения каких величин, представлены в выражении (1.1)? Найдите коэффициент внутреннего поля $\beta ,$ используя формулу (1.2):

\[\beta =\frac{4\pi T_k}{C-T_k\left({\varepsilon }_0-1\right)}\left(1.2\right).\]

Решение:

За основу решения задачи примем формулу, которая определяет связь диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика с температурой:

\[\varepsilon ={\varepsilon }_0+\frac{С}{T-T_k}\left(1.3\right).\]

Тогда, сравнивая выражения (1.3) и (1.1) получаем:

\[{\varepsilon }_0=4,5;\ С=3100;\ T_k=121К.\]

В таком случае коэффициент $\beta $ легко вычислить, используя (1.2). Получим:

\[\beta =\frac{4\cdot 3,14\cdot 121}{3100-121\left(4,5-1\right)}=0,567\]

Ответ: $\beta =0,567$.

Пример 2

Задание: Даны два графика зависимости $\varepsilon $(T) и $\frac{1}{\varepsilon }\left(T \right)$ рис.3 (а,б). Определите, к какой фазе сегнетоэлектрика относятся части графиков I и II.

Рис. 3

Решение:

Рассмотрим график рис. 3(а). Отрезок кривой, обозначенный цифрой I, соответствует сегнетоэлектрической фазе диэлектрика, в точке Кюри ( $T_k$) поляризация достигает максимума, отрезок с цифрой II соответствует пароэлектрической фазе диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость резко падает, с ростом температуры разрушается доменная структура вещества.

Рассмотрим график рис. 3(б). В соответствии с законом Кюри-Вейсса:

\[\varepsilon =\frac{С}{T-T_k}\left(2.1\right),\]

следовательно:

\[\frac{1}{\varepsilon }=\frac{T-T_k}{С}\left(2.2\right).\]

Отрезок I, относится к фазе — сегнетоэлектрик. Величина, обратная к диэлектрической проницаемости, линейно уменьшается с ростом температуры, вплоть до $T>T_k$, при $T=T_k$ $\frac{1}{\varepsilon }=0$. Далее отрезок II — параэлектрик при температуре выше, чем точка Кюри.

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

Сегнетоэлектрики

Точка Кюри сегнетоэлектриков

С е г н е т о э л е к т р и к и  — вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля. Сегнетоэлектрики обладают рядом специфических свойств, которые проявляются лишь в определенном диапазоне температур.

Температура Тк (сегнетоэлектрическая точка Кюри) является температурой фазового перехода, ниже этой температуры сегнетоэлектрик обладает доменной структурой и характерными сегнетоэлектрическими свойствами; выше этой температуры происходит распад доменной структуры и сегнетоэлектрик переходит в параэлектрическое состояние.

Следствием доменного строения сегнетоэлектриков являются нелинейная зависимость их поляризованности или электрической индукции от напряженности электрического поля (см. рисунок  7.

8), которая носит название диэлектрической петли гистерезиса, и резко выраженная температурная зависимость диэлектрической проницаемости, в которой максимум диэлектрической проницаемости достигается при температуре, соответствующей точке Кюри.

Рис. 7.8.  Основные нелинейные свойства   сегнетоэлектриков

а – диэлектрический гистерезис; б – динамическая нелинейность; в–нелинейный ток через сегнетоконденсатор; г – эффективная нелинейность; д – реверсивная нелинейность; с – амплитудная  модуляция.

На рисунке приведены зависимости основных параметров сегнетоэлектриков (поляризации, диэлектрической проницаемости, тока и напряжения на обкладках сегнетоконденсатора), характеризующих нелинейные свойства в зависимости от напряженности электрического  поля (зависимости а),б),г),д)) и  времени приложения переменного  электрического поля (зависимости в) и е)).

В настоящее время известно несколько сотен сегнетоэлектриков, которые по типу химической связи и физическим свойствам принято подразделять на две группы: 1) ионные кристаллы, к которым относятся титанат бария ВаТiО3, титанат свинца PbTiО3, ниобат калия КNbО3, барий-натриевый ниобат ВаNaNb5О15, или сокращенно БАНАН; и др.; 2) дипольные кристаллы, к которым относятся сегнетова соль NaKC4Н4О6 • 4 Н2О, триглицинсульфат (NН2СН2СООН)3 • Н2SО4, дигидрофосфат калия КН2РО4 и др.

Все соединения первой группы нерастворимы в воде, обладают значительной механической прочностью, легко получаются по керамической технологии. Дипольные соединения, наоборот, обладают малой механической прочностью и растворимостью в воде, благодаря чему можно вырастить крупные монокристаллы этих соединений из водных растворов.

Сегнетоэлектрики находят применение: для изготовления малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью; для изготовления материалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и других управляемых устройств; в вычислительной технике — для ячеек памяти; для модуляции и преобразования лазерного излучения; в пьезо- и пироэлектрических преобразователях.

Среди конденсаторной сегнетокерамики можно выделить ряд материалов. Например, Т-900, кристаллическая фаза которого представляет собой твердый раствор титанатов стронция SrТiО3 и висмута Вi4Тi3О12 с температурой Кюри Тк = -140оС. Этот материал имеет сглаженную зависимость диэлектрической проницаемости от температуры.

Для производства малогабаритных конденсаторов на низкие напряжения используют также материал СМ-1, изготовляемый на основе титаната бария с добавкой оксидов циркония и висмута. Для изготовления конденсаторов, работающих при комнатной температуре, в том числе и высоковольтных, используется материал Т-8000 (er ~ 8000), имеющий кристаллическую фазу на основе ВаТiО3 — ВаZrО3.

Точка Кюри этого материала находится вблизи комнатной температуры.

Для изготовления нелинейных конденсаторов применяются другие сегнетоэлектрические материалы, обладающие резко выраженными нелинейными свойствами- сильной зависимостью диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля.

Такие материалы называются варикондами. Вариконды предназначены для управления параметрами электрических цепей за счет изменения их емкости.

Сегнетоэлектрики, петля гистерезиса которых по форме близка к прямоугольной, например, такие, как триглицинсульфат (ТГС), можно применять в запоминающих устройствах ЭВМ.

Кристаллы некоторых сегнетоэлектриков и антисегнетоэлектриков имеют сильно выраженный электрооптический эффект (антисегнетоэлектрики, как и сегнетоэлектрики, также имеют доменное строение, однако спонтанная поляризованность каждого домена у них равна нулю, так как дипольные моменты внутри каждого домена сориентированы антипараллельно).

Электрооптический эффект заключается в изменении показателя преломления среды, который вызван внешним постоянным электрическим полем. Он называется линейным (эффект Поккельса), если показатель преломления  изменяется пропорционально первой степени напряженности, и квадратичным, если наблюдается квадратичная зависимость от напряженности поля (эффект Керра).

Электрооптические свойства сегнетоэлектрических кристаллов используются для модуляции лазерного излучения, осуществляемого электрическим полем, приложенным к кристаллу.

Для электрооптических модуляторов света используют кристаллы ниобата лития LiNbО3, дигидрофосфата калия КН2РО4, прозрачную сегнетокерамику системы ЦТСЛ, представляющую собой твердые растворы цирконата-титаната свинца с оксидом лантана.

При легировании сегнетоэлектрической керамики ВаТiО3 и твердых растворов Ва(Тi, Sn)О3 и (Ва, Рв)ТiО3 неодимом и марганцем получают  материалы, которые по своим свойствам  относятся к сегнетополупроводникам.

В таких материалах, благодаря легированию, возникают донорные и акцепторные уровни, и проводимость повышается в миллиарды раз до значений, соответствующих типичным полупроводникам. Однако высокая проводимость наблюдается лишь в полярной фазе при температурах ниже точки Кюри.

Вблизи точки Кюри проводимость резко уменьшается — в 102 ÷106 раз, и лишь при нагреве много выше точки Кюри она снова начинает расти с увеличением температуры. Такой эффект называется позисторным. Керамические элементы — позисторы имеют низкое «холодное» и высокое «горячее» сопротивление.

Они широко применяются в системах теплового контроля, измерительной технике, в пусковых системах двигателей, для авторегулировки и в других устройствах.

Источник: http://ftemk.mpei.ru/ctlw/pubs/etm_ee/dielf/07.07.04.htm

Сегнетоэлектрики — это… Что такое Сегнетоэлектрики?

Точка Кюри сегнетоэлектриков
        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 (См. Ферромагнетики) (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 (См. Пироэлектрики). 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 (См. Симметрия кристаллов).

Конфигурация доменов зависит от размеров и формы образца, на неё влияет характер распределения по образцу дефектов в кристаллах (См. Дефекты 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 ε многодомéнного С. больше, чем однодомённого. Значение ε тем больше, чем слабее закреплены доменные границы на дефектах и на поверхности кристалла. Величина ε в С. существенно зависит от напряжённости электрического поля, т. е. С. обладают нелинейными свойствами.

         Характеристики некоторых сегнетоэлектриков

        ————————————————————————————————————————————————————————————————

        | Кристалл                                  | Формула                            | Точка        | Максимальная     | Точечные группы                |

        |                                                 |                                             | Кюри          | спонтанная          | симметрии*                      |

        |                                                 |                                             | Tc, °С        | поляризация Ps,|———————————————|

        |                                                 |                                             |                   | мкк․см-2               | неполяр-       | полярная     |

        |                                                 |                                             |                   |                           | ная фаза     | фаза          |

        |———————————————————————————————————————————————————————————————-|

        | Титанат бария                         | BaTiO3                                 | 133         | 25                    | m3m             | 4mm             |

        | Сегнетова соль                           | KNaC4H4O6․4Н2О                 | —18; 24  | 0,25                     | 222               | 2                |

        | Триглицинсульфат                      | (NH2CH2COOH)3․H2SO4        | 49            | 2,8                   | 2m            | 2                |

        | Дигидрофосфат калия               | KH2PO4                               | —150       | 5,1                   | 42m              | mm2             |

        | Дидейтерофосфат калия          | KD2PO4                               | —51          | 6,1                   | 42m              | mm2             |

        | Фторбериллат аммония               | (NH4)2BeF4                        | —97          | 0,15                     | mmm            | mm2             |

        | Молибдат гадолиния                   | Cd2(MoO4)3                          | 159         | 0,18                     | 42m              | mm2             |

        | Ниобат лития                             | LiNbO3                              | 1210           | 50                    | 3m            | 3m            |

        | Титанат висмута                         | Bi4Ti3O12                               | 675         | —                        | 4/mmm        | m               |

        ————————————————————————————————————————————————————————————————

         * 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 ε, а также некоторые из упругих, пьезоэлектрических и др. констант С. Резкий рост ε 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: ε слабо зависит от Т, в точке Кюри значение ε 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 ε. 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 ε, 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 ε их используют в качестве материала для конденсаторов высокой удельной ёмкости. Большие значения пьезоэлектрических констант обусловливают применение С. в качестве пьезоэлектрических материалов (См. Пьезоэлектрические материалы) 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 ε 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. 3. Микрофотография доме́нов сегнетовой соли, полученная с использованием поляризованного света. Тёмные и светлые области отвечают доме́нам с противоположными направлениями спонтанной поляризации.

        

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

        

        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. 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.

Источник: https://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/131015/%D0%A1%D0%B5%D0%B3%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%BE%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D0%BA%D0%B8

Booksm
Добавить комментарий