Реферат: Применение сегнетоэлектриков в приборостроении

Введение

Сегнетоэлектрикаминазываются вещества, обладающие спонтанной электрической поляризацией, котораяможет быть обращена приложением электрического поля E подходящей величины иопределенного направления. Этот процесс, называемый переполяризацией,сопровождается диэлектрическим гистерезисом. Сегнетоэлектрики во многихотношениях являются электрическим аналогами ферромагнетиков, в которыхнамагниченность I может быть обращена магнитным полем H. Однако по своеймикроскопической природе сегнетоэлектрики и ферромагнетики совершенно различны.

Сегнетоэлектрикиотличаются большой диэлектрической проницаемостью, высоким пьезомодулем,наличием петли диэлектрического гистерезиса, интересными электрооптическимисвойствами, и поэтому широко применяется во многих областях современнойтехники: радиотехнике, электроакустике, квантовой электронике и измерительнойтехнике.

Сегнетоэлектрикиобладают интересными электрическими свойствами; во многих твердых телах силысвязи носят главным образом электрический характер, и тот факт, что всегнетоэлектриках эти силы могут проявляется весьма ярко, существенно облегчаетих изучение,

Втермине «сегнетоэлектрики» нашел свое отражение тот факт, что первыесегнетоэлектрические свойства были обнаружены у сегнетовой соли. Позднее, однако,выяснилось, что сегнетова соль является не типичным сегнетоэлектрическимкристаллом.

Сегнетоэлектрикиявляются твердыми телами, причем все они неметаллы. Свойства сегнетоэлектриковпроще всего изучать, если вещество находится в монокристаллическом состоянии.

Изучениесвойств ферромагнетиков, известных с глубокой древности, началось примерно с1600г; в дальнейшем исследования Вебера и Эвингапривели уже в 1907г к известной теории Вейса. Сегнетоэлектричество же было открыто лишь в 1921г Валашеком в сегнетовой соли. В настоящее время известно ужеболее 700 веществ, обладающих сегнетоэлектрическими свойствами.

Тремянаиболее яркими особенностями сегнетоэлектриков являются обратимая поляризация,«аномальные» свойства и нелинейности. Большинство сегнетоэлектриков перестаетбыть сегнетоэлектриками выше некоторой температуры ТK, называемойтемпературой перехода. Аномальное поведение вблизи ТK, вероятно неменее важно, чем обратимая поляризация, но оно не является достаточным определениемсегнетоэлектрика. При температуре ТK диэлектрическая проницаемостьрезко возрастает до весьма больших значений; именно эти большие значения вокрестности ТK называют аномальными значениями.

Общие сведения

Классифицироватьсегнетоэлектрики можно по разным признакам. Наиболее распространенаклассификация сегнетоэлектриков в соответствии со структурой и связанной с неймеханизмом возникновения спонтанной поляризации при фазовом переходе. По этомупризнаку они подразделяются на сегнетоэлектрики типа «смещения», у которыхпереход в сегнетоэлектрическую фазу связан со смещением ионов, исегнетоэлектрики типа «порядок-беспорядок», у которых при переходе всегнетоэлектрическую фазу происходит упорядочение имевшихся в исходной фазедиполей.

Сегнетоэлектрикитипа «смещения» подразделяются на две основные группы: группу перовскита игруппу псевдоильменита.

Сегнетоэлектрикигруппы 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. В параэлектрическойфазе кристаллы этой группы имеют кубическую структуру. В вершинах кубарасполагаются ионы Ba, Pb, Cd и др. Ионы кислорода размещаются в центре граней куба,образуя октаэдр. Возникновение спонтанной поляризации в них связано сизменением ионов титана. Важная особенность таких сегнетоэлектриков способностьобразовывать твердые растворы с соединениями аналогичной структуры, напримерBaTiO3-SrTiO3, PbTiO3-PbZrO3. Этопозволяет создавать керамику с заданными свойствами для многочисленныхустройств: пьезопреобразователей, пьезоприводов,пьезодвигателей, позисторов,варикондов и др.

Сегнетоэлектрикигруппы псевдоильменита имеют ромбоэдрическую структуру.Характерная особенность кристаллов группы псевдоильменита—

высокая температура Кюри. Эти кристаллы наиболее широко применяются вакустических устройствах на поверхностных объемных волнах: пьезопреобразователях,полосовых фильтрах, резонаторах, линиях задержки, ВЧ акустооптическихмодуляторах; они применяются также в устройствах нелинейной оптики иэлектроники и в пироприемниках.

Сегнетоэлектрикитипа «порядок — беспорядок» делятся на три основные группы: группу дигидрофосфата калия (KDP) —

дигидрофосфатыи дигидроарсенаты щелочных металлов (KH2PO4,PdH2PO4, KH2AsO4, RbH2AsO4,CsH2AsO4) и их дейтриевыеаналоги; группу триглицинсульфата (ТГС) —(NH2CH2COOH3)×H2SO4;жидкокристаллические сегнетоэлектрики. Упорядочивающимися элементами структурыв сегнетоэлектриках группы KDR являются протоны (дейтроны) в водородных связях.Возникновение спонтанной поляризации связано с тем, что положения всех протоновстановятся упорядоченными. Основные применения этой группы кристаллов —в устройствах нелинейной оптики и электрооптики. Сегнетоэлектрические свойствакристаллов группы ТГС обусловлены упорядочиванием протонов в водородных связяхчто приводит к возникновению диполей у молекул глицина и сульфатионов.Применяются в пироприемниках и мишенях пировидиконов.

Жидкокристаллическиесегнетоэлектрики —

широкий класс жидких кристаллов, содержащих упорядочивающиеся полярныемолекулы. Они обладают рядом электрических и оптических свойств, характерныхдля сегнетоэлектриков: резким фазовым переходом, сопровождающимся аномалиями тепловых,диэлектрических и оптических свойств;высокими значениями диэлектрической проницаемости (~ 102) и другими. Некоторыежидкокристаллические сегнетоэлектрики обнаруживают петли диэлектрическогогистерезиса. Оптические свойства сильно зависят от температуры и направленностивнешнего электрического поля; на этом основаны наиболее важные применения такихсегнетоэлектриков: оптические индикаторы, транспаранты, дисплеи и другие.

Ионные идипольные сегнетоэлектрики существенно различаются по свойствам. Так, всесоединения кислородно-октаэдрического типанерастворимы в воде, обладают значительной механической прочностью, легкополучаются в виде поликристаллов по керамической технологии. Наоборот,дипольные сегнетоэлектрики обладают высокой растворимостью в воде и малоймеханической прочностью. Например, растворимость сегнетовой соли в воде стольвелика, что ее кристаллы можно распилить с помощью влажной нити. Благодарявысокой растворимости в воде можно легко вырастить крупные монокристаллы этихсоединений из водных растворов.

Применение

Втехническом применении сегнетоэлектриков наметилось несколько направлений,важнейшими из которых следует считать:

1)изготовление малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельнойемкостью;

2)использование материалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектрическихусилителей, модуляторов и других управляемых устройств;

3)использование сегнетоэлементов всчетно-вычислительной технике в качестве ячеек памяти;

4)использование кристаллов сегнето — и антисегнетоэлектриков для модуляции и преобразованиялазерного излучения;

5)изготовление пьезоэлектрических и пироэлектрических преобразователей.

Конденсаторная сегнетокерамика, как илюбой диэлектрик, для производства обычных конденсаторов, должна иметьнаибольшую величину диэлектрической проницаемости с малой зависимостью от температуры, незначительныепотери, наименьшую зависимость e

и tgdотнапряженности электрического поля (малую нелинейность), высокие значенияудельного объемного и поверхностного сопротивлений и электрической прочности.

Однимиз важнейших методов получения оптимальных свойств в заданном температурноминтервале является использование твердых растворов. Изменением концентрациикомпонентов в твердом растворе можно регулировать значения диэлектрическойпроницаемости, смещать температуру Кюри, изменять нелинейность поляризации и т.д. В твердых растворах, по сравнению с простыми веществами, можно получитьболее сглаженные температурные зависимости e

, что имеет важное значение для производства конденсаторов.Однако в большинстве случаев использование однофазных материалов, дажеявляющихся твердыми растворами, не может обеспечить достаточно слабуютемпературную зависимость e. Для ослаблениятемпературных зависимостей параметров конденсаторов в состав сегнетокерамики вводят различные добавки, которые«размывают» сегнетоэлектрический фазовый переход. В большинстве случаевконденсаторные сегнетокерамические материалы содержат несколько кристаллическихфаз. При «размытом» фазовом переходе сравнительно слабо выражены и нелинейныесвойства диэлектриков. В промышленности используют несколькосегнетокерамических материалов, каждый из которых применяют для определенныхтипов конденсаторов, так как ни один материал не отвечает совокупности всехперечисленных требований.

Средисуществующей конденсаторной сегнетокерамики можновыделить:

1)материалы со слабо выраженной температурной зависимостью диэлектрическойпроницаемости, например, Т — 900;

2)материалы со сглаженной зависимостью диэлектрической проницаемости оттемпературы, например, СМ-1;

3)материалы с максимальным значением диэлектрической проницаемости в определенноминтервале температур, например Т-8000.

Вматериале Т-900 кристаллическая фаза представляет собой твердый раствор титанатов стронция (SrTiO3) и висмута (Bi4Ti3O12).Максимум e

соответствует точке Кюри ТК = -140°С. Рабочий диапазон температуррасположен значительно правее ТК, поэтому температурная зависимость eслегка падающая.

МатериалСМ-1 изготавливают на основе титаната бария сдобавкой окислов циркония и висмута. Его применяют для производствамалогабаритных конденсаторов на низкие напряжения.

МатериалТ-8000 имеет кристаллическую фазу, представляющую собой твердый раствор ВаТiOз — ВаZr0з. Точка Кюри этого материала находится вобласти комнатной температуры, поэтому вблизи нее диэлектрическая проницаемостьимеет максимальное значение. Данный материал используют для изготовления конденсаторов,работающих при комнатной температуре (в нешироком интервале температур), в томчисле и высоковольтных.

Распространеныи другие сегнетокерамические материалы для конденсаторов, отличающиеся большейдиэлектрической проницаемостью и более сглаженной зависимостью ее оттемпературы.

Материалы для варикондовимеютрезко выраженные нелинейные свойства; применяются для изготовления нелинейныхконденсаторов — варикондов.

Однаиз основных характеристик варикондов — коэффициент нелинейности К, определяемыйкак отношение максимального значения диэлектрической проницаемости принекоторой, максимальной для данного материала, напряженности электрическогополя к начальному значению диэлектрической проницаемости. Численное значениекоэффициента нелинейности для различных марок варикондов может изменяться от 4до 50 (в переменном поле). Основной кристаллической фазой в таких материалахявляются твердые растворы системы Ba(Ti,Sn)03 или Pb(Ti, Zr, Sn)03.

Варикондыпредназначены для управления параметрами электрических цепей за счет измененияих емкости при воздействии как постоянного или переменного напряжения, так инескольких напряжений, приложенных одновременно и различающихся по значению и частоте. В простейшем случае им приходится работать приодновременном воздействии переменного (синусоидального) и постоянногоэлектрических полей, причем Е_ >> E~. Как отмечалось, изменениеполяризации сегнетоэлектрика в этих условиях определяется реверсивной диэлектрическойпроницаемостью e

Р. Она характеризует степень ориентируемостиэлектрических моментов доменов переменным полем при наличии преимущественнойнаправленности их действием постоянного поля. Чем сильнее приложенное к сегнетоэлектрикупостоянное поле, т. е. чем больше направленность электрических моментов доменов, тем меньшевлияние на суммарную электрическую индукцию в сегнетоэлектрике оказываетпеременное поле. Следовательно, при заданной амплитуде переменного поля ЕMреверсивная диэлектрическая проницаемость eРс ростомЕ_ уменьшается.

Нелинейныедиэлектрические элементы, обычно в тонкопленочном исполнении, являются основойразнообразных радиотехнических устройств — параметрических усилителей,низкочастотных усилителей мощности, фазовращателей, умножителейчастоты, модуляторов, стабилизаторов напряжения, управляемых фильтров и др.

В качествепримера использования варикондов приведем принципиальную схему диэлектрическогоусилителя, основанного на изменении емкости нелинейного конденсатора Свар под влиянием поля входногосигнала Uвх,обусловливающем изменение тока в нагрузке Iн.

Сегнетоэлектрики с ППГ.В адресныхрегистрах вычислительных машин многократно используются переключатели, спомощью которых производится выбор требуемой ячейки памяти. При разработкевычислительных машин предпринимаются меры для уменьшения времени срабатыванияэтих переключателей число необходимых селекторов.

В 1952г Андерсонвысказал предположение, что сегнетоэлектрики с хорошей прямоугольной петлейгистерезиса можно использовать в качестве элементов запоминающих устройстввычислительных машинах с возможной матричной селекцией. Для этих целейнеобходим материал с возможно более прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), чтохарактерно для монокристаллов (например, триглицинсульфата).В отсутствие внешнего поля сегнетоэлектрик с ППГ имеет два устойчивыхсостояния, соответствующих различным направлениям остаточной электрическойиндукции. Одно из этих состояний в запоминающей ячейке означает хранениеединицы, а другое — хранение нуля. Подавая внешнее напряжение различнойполярности, сегнетоэлектрик можно переводить из одного состояния в другое. Наэтом основаны запись, считывание и стирание информации. Считывание информацииможно осуществить без её разрушения, например, оптическим методом илиизмерением сопротивления тонкой полупроводниковой пленки, нанесенной на поверхностисегнетоэлектрика.

Времяпереключения ячейки пропорционально толщине кристалла и при толщинах внесколько десятых долей миллиметра составляет несколько микросекунд. В сегнетокерамике процесс переполяризациив отдельных зернах происходит независимо, и время прорастания доменовопределяется размерами зерен, которые можно уменьшить до нескольких микрометров.В этом случае достигается более высокое быстродействие, чем в монокристаллах,хотя ухудшается прямоугольность петли гистерезиса.

Пьезоэлектрические и пироэлектрическиепреобразователи. Наиболее широкое применение вкачестве пьезоэлектрического материала находит сегнетоэлектрическая керамика.Полярную сегнетокерамику, предназначенную дляиспользования в пьезоэлектрических преобразователях, называют пьезокерамикой.

Основнымматериалом для изготовления пьезокерамических элементов являются твердые растворыPbZrO3 —

PbTiO3 (ЦТС). Эта керамика широкоиспользуется для создания мощных ультразвуковых излучателей в широком диапазонечастот для целей гидроакустики, дефектоскопии, механической обработки материалов.Такие ультразвуковые генераторы применяются также в химической промышленностидля ускорения различных процессов и в полупроводниковой технологии дляэффективной промывки и обезжиривания полупроводниковых пластин с помощьюультразвуковой ванны. Из пьезокерамики делаютмалогабаритные микрофоны, телефоны, громкоговорители, слуховые аппараты,детонаторы, различные устройства поджига в газовыхсистемах. Пьезокерамические элементы можно использовать в качестве датчиковдавлений, деформаций, ускорений, вибраций. Двойное преобразование энергииположено в основу работы пьезорезонансных фильтров,линий задержки и пьезотрансформаторов.

Пироэлектрическийэффект проявляется в поляризованной сегнетокерамике,хотя пироэлектрических образцов заметно хуже, чем у монокристаллов. Для изготовленияфотоприемников можно использовать все виды пьезокерамики,однако наиболее подходящим материалом для этих целей является керамика ЦТСЛ. Введениедобавки окиси лантана позволяет приблизить температуру Кюри к комнатной иполучить более высокие значения пироэлектрических коэффициентов.

Заключение

Изучивданный класс материалов —

сегнетоэлектрики, мы нашли, что их самоезамечательное свойство состоит в том, что в них существуют области одинаковонаправленной спонтанной поляризации — сегнетоэлектрическиедомены. Под влиянием внешних воздействий сегнетоэлектрики могут переходить из многодоменного состояния в монодоменное.Это свойство сегнетоэлектриков используется для создания на их основе ЗУ ЭВМ.Многие сегнетоэлектрики обладают аномально высокими значениями диэлектрическойпроницаемости и пьезоэлектрических констант, сильной зависимостью физическихсвойств от температуры, достигающих экстремальных значений и максимальнойнелинейности в окрестности точки фазового перехода сегнетоэлектрика всегнетоэлектрическую фазу.Литература

1.

ПасынковВ.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., ПасынковР.Е., Шур М.С. изд-во «Наука»., М, 1979.

3.

Дж Барфут. Введениев физику сегнетоэлектрических явлений. Пер. с англ. Н.Р. Иванова. Под ред. Л.А.Шувалова. Издат. «Мир» — М. 1970.

4.

Сегнетоэлектрики и ферромагнетики (Сборникстатей. П.П. Пугачевич и др.) Калинин, 1973.

еще рефераты

Еще работы по материаловедению

Реферат по материаловедению

Материалы размыкающих контактов

29 Августа 2013

Реферат по материаловедению

Установочная керамика

29 Августа 2013

Реферат по материаловедению

Ленты углеродные однонаправленные УОЛ

29 Августа 2013

Реферат по материаловедению

Радиоматериалы

29 Августа 2013