Реферат: Сегнетоэлектрики, их свойства и применение

ГК     РФ      ВО

СГТУ

КАФЕДРА ЭМС

<span Times New Roman",«serif»; letter-spacing:6.0pt;mso-ansi-language:RU">РЕФЕРАТ<span AGHelveticaCyr Bold",«sans-serif»; letter-spacing:2.5pt;mso-ansi-language:RU">

На тему:

Сегнетоэлектрики, их свойства и применение

Выполнил: студент ЭМС-22

Шишкин П. В.

Проверила: Котина Н. М.

Саратов 1998

СодержаниеTOC o «1-3»

Реферат                                                                                                                 GOTOBUTTON_Toc437595464   PAGEREF_Toc437595464 2

1. Введение                                                                                         GOTOBUTTON_Toc437595465   PAGEREF_Toc437595465 3

2. Аналитический обзор                                                                  GOTOBUTTON_Toc437595466   PAGEREF_Toc437595466 4

3. Основная часть                                                                             GOTOBUTTON_Toc437595467   PAGEREF_Toc437595467 6

3.1 Получение керамики                                                                                   GOTOBUTTON_Toc437595468   PAGEREF_Toc437595468 6

3.2 Основные свойства                                                                                      GOTOBUTTON_Toc437595469   PAGEREF_Toc437595469 7

3.3 Применение                                                                                                 GOTOBUTTON_Toc437595470   PAGEREF_Toc437595470 13

4. Заключение                                                                                  GOTOBUTTON_Toc437595471   PAGEREF_Toc437595471 18

5. Литература                                                                                   GOTOBUTTON_Toc437595472   PAGEREF_Toc437595472 19

 

<span Arial",«sans-serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">
Реферат

Ключевые слова:сегнетоэлектричество, поляризация,гистерезис, домены, фаза, переход, монокристалл, керамика, конденсаторы,память, нелинейность, оптика.

Цель работы:  исследование методов получения,свойств, областей применения сегнетоэлектриков.

<span Arial",«sans-serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">
1. Введение

Сегнетоэлектриками называются вещества, обладающие спонтанной электрическойполяризацией, которая может быть обращена приложением электрического поля Eподходящейвеличены и определенного направления. Этот процесс, называемый переполяризацией,сопровождается диэлектрическим гистерезисом. Сегнетоэлектрики во многихотношениях являются электрическим аналогами ферромагнетиков, в которых намагниченностьIможетбыть обращена магнитным полем H. Однако по своей микроскопической природесегнетоэлектрики и ферромагнетики совершенно различны.

Сегнетоэлектрики отличаются большой диэлектрической проницаемостью, высокимпьезомодулем, наличием петли диэлектрического гистерезиса, интереснымиэлектрооптическими свойствами, и поэтому широко применяется во многих областяхсовременной техники: радиотехнике, электроакустике, квантовой электронике иизмерительной технике.

Сегнетоэлектрики обладают интересными электрическими свойствами; во многихтвердых телах силы связи носят главным образом электрический характер, и тотфакт, что в сегнетоэлектриках эти силы могут проявляется весьма ярко, существеннооблегчает их изучение,

 В термине «сегнетоэлектрики» нашелсвое отражение тот факт, что первые сегнетоэлектрические свойства былиобнаружены у сегнетовой соли. Позднее, однако, выяснилось, что сегнетова сольявляется не типичным сегнетоэлектрическим кристаллом.

 Сегнетоэлектрики являются твердымителами, причем все они неметаллы. Свойства сегнетоэлектриков проще всегоизучать, если вещество находится в монокристаллическом состоянии.

 Изучение свойств ферромагнетиков,известных с глубокой древности, началось примерно с 1600г; в дальнейшемисследования Вебера и Эвинга привели уже в 1907г к известной теории Вейса.Сегнетоэлектричество же было открыто лишь в 1921г Валашеком в сегнетовой соли.В настоящее время известно уже более 700 веществ, обладающих сегнетоэлектрическимисвойствами.

 Тремя наиболее яркими особенностямисегнетоэлектриков являются обратимая поляризация, «аномальные» свойства инелинейности. Большинство сегнетоэлектриков перестает быть сегнетоэлектрикамивыше некоторой температуры ТK, называемой температурой перехода.Аномальное поведение вблизи ТK, вероятно не менее важно, чем обратимаяполяризация, но оно не является достаточным определением сегнетоэлектрика. Притемпературе ТK диэлектрическая проницаемость резко возрастает довесьма больших значений; именно эти большие значения в окрестности ТKназывают аномальными значениями.

<span Arial",«sans-serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">
2. Аналитический обзор

 Классифицировать сегнетоэлектрикиможно по разным признакам. Наиболее распространена классификациясегнетоэлектриков в соответствии со структурой и связанной с ней механизмомвозникновения спонтанной поляризации при фазовом переходе. По этому признакуони подразделяются на сегнетоэлектрики типа «смещения», у которых переход всегнетоэлектрическую фазу связан со смещением ионов, и сегнетоэлектрики типа«порядок-беспорядок», у которых при переходе в сегнетоэлектрическую фазу происходитупорядочение имевшихся в исходной фазе диполей.

 Сегнетоэлектрики типа «смещения»подразделяются на две основные группы: группу перовскита и группупсевдоильменита.

 Сегнетоэлектрики группы перовскитамогут существовать в виде монокристаллов или керамики. Характерная особенностьструктуры кристаллов этой группы <span Times New Roman""><span Times New Roman"">—

наличие кислородного октаэдра, внутрикоторого располагается 4- или 5- валентный ион Ti, Zr, Nbилидругой ион с малым ионным радиусом. В параэлектрической фазе кристаллы этойгруппы имеют кубическую структуру. В вершинах куба располагаются ионы Ba, Pb, Cdи др.Ионы кислорода размещаются в центре граней куба, образуя октаэдр. Возникновениеспонтанной поляризации в них связано с изменением ионов титана. Важная особенностьтаких сегнетоэлектриков способность образовывать твердые растворы с соединениямианалогичной структуры, например BaTiO3-SrTiO3, PbTiO3-PbZrO3. Этопозволяет создавать керамику с заданными свойствами для многочисленныхустройств: пьезопреобразователей, пьезоприводов, пьезодвигателей, позисторов,варикондов и др.

 Сегнетоэлектрики группыпсевдоильменита имеют ромбоэдрическую структуру. Характерная особенностькристаллов группы псевдоильменита <span Times New Roman""><span Times New Roman"">—

высокая температура Кюри. Эти кристаллы наиболеешироко применяются в акустических устройствах на поверхностных объемных волнах:пьезопреобразователях, полосовых фильтрах, резонаторах, линиях задержки, ВЧакустооптических модуляторах; они применяются также в устройствах нелинейнойоптики и электроники и в пироприемниках.

 Сегнетоэлектрики типа «порядок — беспорядок» делятся на три основные группы: группу дигидрофосфата калия (KDP) <span Times New Roman""><span Times New Roman"">—

дигидрофосфаты и дигидроарсенаты щелочных металлов (KH2PO4, PdH2PO4, KH2AsO4, RbH2AsO4, CsH2AsO4) и ихдейтриевые аналоги; группу триглицинсульфата (ТГС) <span Times New Roman""><span Times New Roman"">—(NH2CH2COOH3)<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">×H2SO4;жидкокристаллические сегнетоэлектрики. Упорядочивающимися элементами структурыв сегнетоэлектриках группы KDRявляются протоны (дейтроны) в водородных связях.Возникновение спонтанной поляризации связано с тем, что положения всех протоновстановятся упорядоченными. Основные применения этой группы кристаллов <span Times New Roman""><span Times New Roman"">—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 <span Times New Roman""><span Times New Roman"">—

широкий класс жидких кристаллов, содержащих упорядочивающиеся полярныемолекулы. Они обладают рядом электрических и оптических свойств, характерныхдля сегнетоэлектриков: резким фазовым переходом, сопровождающимся аномалиямитепловых, диэлектрических и оптическихсвойств; 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 и дипольныесегнетоэлектрики существенно различаются по свойствам. Так, все соединениякислородно-октаэдрического типа нерастворимы в воде, обладают значительноймеханической прочностью, легко получаются в виде поликристаллов по керамическойтехнологии. Наоборот, дипольные сегнетоэлектрики обладают высокой растворимостьюв воде и малой механической прочностью. Например, растворимость сегнетовой солив воде столь велика, что ее кристаллы можно распилить с помощью влажной нити.Благодаря высокой растворимости в воде можно легко вырастить крупные монокристаллыэтих соединений из водных растворов.

<span Arial",«sans-serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">
3. Основная часть3.1Получение керамики

Слово«керамика» говорит о том, что это глиносодержащие материалы, но в настоящеевремя сюда входит ряд химических соединений, процесс получения керамическихматериалов из которых идет по методу порошковой металлургии, но несколькоизменена последовательность этапов:

1-йэтап <span Times New Roman""><span Times New Roman"">—

тонкоеизмельчение входящих материалов до порошков. Этот процесс обычно осуществляетсяв шаровых мельницах.

2-йэтап <span Times New Roman""><span Times New Roman"">—

пластификация массы. Вводят пластификаторы, которые бывают водорастворимые ирасплавимые (поливиниловый спирт, парафин). Получают формовочный полуфабрикат.

3-йэтап <span Times New Roman""><span Times New Roman"">—

формовка. Прессование в штампах.

4-йэтап <span Times New Roman""><span Times New Roman"">—

отжиг. Низкотемпературный и высокотемпературный отжиг. При температуре больше1300<span Times New Roman""><span Times New Roman"">°Спроисходит выгорание пластификаторов. Выходят изделия с заданной формой иразмерами.

Всекерамические материалы имеют следующие фазы:

<span Times New Roman"">                   

 Кристаллическая фаза. Образуется при спеканиикерамики при взаимодействии глинозема с кварцевым песком. При этом образуютсяхимические соединения или твердые растворы. Эта фаза формирует основныесвойства керамики: механические свойства, диэлектрическую прочность, ТКЛР.

<span Times New Roman"">                   

 Стеклолитная фаза представляет собой прослойкистекла, связывающие между собой кристаллическую фазу. Такие прослойкиобразуются при расплавлении полевого шпата, при изготовлении керамики. Эта фазаформирует технологические свойства керамики: пористость, гигроскопичность;некоторые виды керамик (радиофарфор) не содержат стеклолитной фазы.

<span Times New Roman"">                   

 Газоваяфаза <span Times New Roman""><span Times New Roman"">—газы в закрытых порах. Количество их зависит от способа обработки керамическоймассы. Приводит к ухудшению свойств.

Сегнетоэлектрические керамики широко используются в технике. Рассмотримпроцесс получения керамики на примере титаната бария. Титанат бария вместе с добавками(если они нужны) сначала размельчают, после чего смесь выдавливают в форму ипрессуют, причем это можно сделать как со связующим веществом, так и без него.Затем следует процесс обжига при высокой температуре, например 1300<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">°

C,необходимой для получения стеклообразного продукта. При этом получается поликристаллическийматериал в котором имеются пустоты, причем многие кристаллы часто срастаютсявследствие процесса диффузии. Для изменения физических свойств материала(уменьшения диэлектрической проницаемости или понижения температурногоперехода) или по техническим причинам (например в качестве флюсов для измененияскорости роста кристаллов) может оказаться необходимыми добавки. Твердость керамическихматериалов позволяет изготовлять из них изделия практически любых форм иразмеров <span Times New Roman""><span Times New Roman"">—бруски, диски, полые цилиндры и т.д.<span Arial",«sans-serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">
3.2Основные свойстваОбщие свойства

Многие свойства сегнетоэлектриков отличаются от свойств которых следовалобы ожидать для однородных материалов. Это обусловлено наличием доменов точнотакже, как в ферромагнетиках. Так, например, характер тока переключения тесносвязан с поведением доменов. Домены имеются как в монокристалле, так и вкристаллах керамического образца. Сегнетоэлектрический домен представляет собоймакроскопическую область, в которой направление спонтанной поляризацииодинаково и отличается от направления спонтанной поляризации в соседних доменах.

Разделяющие доменные стенки могут перемещаться внутри монокристалла; приэтом одни домены увеличиваются, а другие уменьшаются. Теоретически былорассчитано Ландауэром и другими, что в титанате бария необходимое для переполяризациимонокристалла поле должно составлять около 200 кВ/см, однако практическипереполяризация легко осуществляется в поле порядка 1 кВ/см, очевидно,благодаря тому, что в кристалле всегда присутствуют небольшие домены с обратнымнаправлением поляризации. При переполяризации эти домены растут либо за счетперемещения доменных стенок, либо за счет некоторого сходного процесса.

В монокристалле относительная ориентация электрических моментов доменов определяетсясимметрией кристаллической решетки. Например, в тетрагональной модификации титанатабария (BaTiO3) возможны шесть направлений спонтанной поляризованности:антипараллельных или перпендикулярных друг другу. Соответственно для этогослучая различают 180-градусные и 90-градусные доменные границы. Энергетическинаиболее выгодной является такая структура, при которой обеспечиваетсяэлектрическая нейтральность доменных границ, т. е. проекция вектора поляризациина границу со стороны одного домена должна быть равна по длине и противоположнапо направлению проекции вектора поляризации со стороны соседнего домена. Поэтой причине электрические моменты доменов ориентируются по принципу «голова» к«хвосту». Установлено, что линейные размеры доменов составляют от 10-4до 10-1 см.

В поликристаллическом сегнетоэлектрике в каждом кристалле могут существоватьнесколько доменов. Различным направлениям поляризации соответствуют не толькослегка отличающиеся положения некоторых ионов в элементарной ячейке, но частотакже и различные изменения формы самой ячейки.

Внешнее электрическое поле изменяет направления электрических моментовдоменов, что создает эффект очень сильной поляризации. Этим объясняютсясвойственные сегнетоэлектрикам сверхвысокие значения диэлектрической проницаемости(до сотен тысяч). Доменная поляризация связана с процессами зарождения и ростановых доменов за счет смещения доменных границ, которые в итоге вызываютпереориентацию вектора спонтанной поляризованности в направлении внешнегоэлектрического поля.

Следствием доменного строения сегнетоэлектриков  является нелинейная зависимость ихэлектрической индукции от напряженности электрического поля, показанная на рис.1. При воздействии слабого электрического поля связь между D и Е носитприблизительно линейный характер (участок ОА). На этом участке преобладаютпроцессы обратимого смещения (флуктуации) доменных границ. В области болеесильных полей (область АВ) смещение доменных границ носит необратимый характер.При этом разрастаются домены с преимущественной ориентацией, у которых векторспонтанной поляризации образует наименьший угол с направлением поля. Принекоторой напряженности поля, соответствующей точке В, все домены оказываются ориентированными по полю. Наступаетсостояние технического насыщения. В монокристаллах состояние технического насыщениясоответствует однодоменному состоянию. Некоторое возрастание индукции в сегнетоэлектрикена участке технического насыщения обусловлено процессами индуцированной (т. е.электронной и ионной) поляризации. Ее роль усиливается с повышением температуры.Кривую ОАВ называют основной кривой поляризации сегнетоэлектрика (кривая зарядасегнетоэлектрического конденсатора).

<img src="/cache/referats/20020/image002.jpg" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1033">Если вполяризованном до насыщения образце уменьшить напряженность поля до нуля, тоиндукция в ноль не обратится, а примет некоторое остаточное значение Dr. Привоздействии полем противоположной полярности индукция быстро уменьшается и принекоторой напряженности поля изменяет свое направление. Дальнейшее увеличение напряженностиполя вновь переводит образец в состояние технического насыщения (точка С).Отсюда следует, что переполяризация сегнетоэлектрика в переменных полях сопровождаетсядиэлектрическим гистерезисом. Напряженность поля Ер, при которой индукция проходит через ноль, называетсякоэрцитивной силой.

Диэлектрический гистерезис обусловленнеобратимым смещением доменных границ под действием поля и свидетельствует одополнительном механизме диэлектрических потерь, связанных с затратами энергиина ориентацию доменов. Площадь гистерезисной петли пропорциональна энергии,рассеиваемой в диэлектрике за один период. Вследствие потерь на гистерезиссегнетоэлектрики характеризуются весьма большим тангенсом угла диэлектрическихпотерь, который в типичных случаях принимает значение порядка 0,1.

Совокупность вершин гистерезисных петель, полученных при различных значенияхамплитуды переменного поля, образует основную кривую поляризации сегнетоэлектрика(см. рис. 1).

Для большинства сегнетоэлектриков диэлектрическая проницаемость велика дажепри температурах, не слишком близких к TK.Диэлектрическую проницаемость <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">e

можноизмерить, нанеся на кристалл пару электродов и определив тем или иным путем егоемкость в переменном электрическом поле.

Выше температуры перехода ТK температурная зависимостьдиэлектрической проницаемости часто хорошо апроксимируется законом Кюри-Вейса:

<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">e

= 4<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">pС /(Т-Тс),

 где С <span Times New Roman""><span Times New Roman"">—

константа Кюри. Ниже температуры перехода <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-char-type: symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">eбыстро уменьшается. Длявеществ с переходом второго рода значения Тс и ТK обычно совпадают. Для других веществТс на несколькоградусов ниже ТK.

Нелинейность<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">e

(Е)является важной характеристикой сегнетоэлектриков. Если создаваемая приложеннымполем Е поляризация не остается пропорциональной при возрастании поля, тоизмерения в переменном поле будут давать различные значения проницаемости приразличных амплитудах поля. Нелинейность <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-char-type: symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">eпроявляется также при измеренияхв достаточно малом поле при наличии дополнительного смещающего напряжения.

Нелинейность поляризации по отношению к полю и наличие гистерезиса обусловливаютзависимость диэлектрической проницаемости и емкости сегнетоэлектрического конденсатораот режима работы. Для характеристики свойств материала в различных условияхработы нелинейного элемента используют понятия статической, реверсивной, эффективнойи других диэлектрических проницаемостей.

Статическая диэлектрическая проницаемость <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">e

стопределяется по основной кривой поляризациисегнетоэлектрика:

<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">e

ст= D/(<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">e0Е) = 1+ Р/(<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">e0Е) <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">»Р/(<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">e0Е).

Реверсивная диэлектрическаяпроницаемость<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">e

рхарактеризует изменение поляризациисегнетоэлектрика в переменном электрическом поле при одновременном воздействиипостоянного поля.

Эффективную диэлектрическуюпроницаемость<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">e

эф, как иэффективную емкость конденсатора, определяют по действующему значению тока I(не синусоидального), проходящего в цепи с нелинейным элементом при заданномдействующем напряжении U с угловой частотой <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-char-type: symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">w:

<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol;font-weight:normal">e

<span Times New Roman",«serif»;font-weight:normal">эф<span Times New Roman",«serif»; font-weight:normal"> ~ Сэф= <span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:EN-US;font-weight:normal">I<span Times New Roman",«serif»; font-weight:normal">/(<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol; font-weight:normal">w<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:EN-US; font-weight:normal">U<span Times New Roman",«serif»;font-weight:normal">)

Диэлектрическую проницаемость, измеряемую в очень слабых электрическихполях, называют начальной.

Специфические свойства сегнетоэлектриков проявляются лишь в определенном диапазонетемператур. В процессе нагревания выше некоторой температуры происходит распаддоменной структуры и электрик переходит в параэлектрическое состояние. ТемператураТк такого фазовогоперехода получила название сегнетоэлектрической точки Кюри. В точке Кюри спонтанная поляризованность исчезает, адиэлектрическая проницаемость достигает своего максимального значения.

Зависимость <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">e

титаната бария от температуры. Видно, что при температуре порядка 120°С имеетсявыраженная точка Кюри, ниже которой материал обладает сегнетоэлектрическимисвойствами, хотя в нем и наблюдаются дополнительные структурные изменения(вторичные максимумы на кривых).

Переход сегнетоэлектрика в параэлектрическое состояние сопровождаетсярезким уменьшением tg<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">d

,поскольку исчезают потери на гистерезис.

Некоторые свойства керамикиотличаются от свойств соответствующих монокристаллов. Это связано с хаотическойориентацией кристаллитов, пористостью материала, а также тем, что многиекристаллиты находятся в механически напряженном состоянии даже тогда, когда кматериалу не приложено никакого внешнего напряжения. Изменения свойств,вызванного наличием пор, обычно учитывается просто плотностью материала.Например, если плотность кристалла титаната бария 6,0 г/см3, топлотность его керамики обычно составляет около 5,7 г/см3. Керамикиобычно имеют такие же, как и у монокристаллов температуру перехода,теплоемкость и константу Кюри ( с учетом поправки на пористость ).

В керамике титаната бария каждый кристаллит имеет по отношению к своимкристаллографическим осям шесть эквивалентных возможных направлений возможныхнаправлений спонтанной поляризации; ориентация же самих кристаллитовхаотическая. В общем случае действительно реализующиеся направления спонтаннойполяризации в керамике статистически равномерно распределены по шести указаннымнаправлениям. Но это не всегда имеет место, так как специальной обработкойможно создать можно создать преимущественное направление поляризации, напримерприложив к изделию на подходящей стадии его приготовления (или даже кохлажденному изделию ) постоянное электрическое поле. Такой процесс называютполяризацией керамики. При этом в каждом кристаллите становитсяпредпочтительным то из направлений спонтанной поляризации, которое ближеостальных к направлению поля. Однако этот процесс не может привести к столь жебольшой поляризации образца, как в случае монокристалла. Можно показать, чтомаксимальная возможная поляризация керамического образца составляет 84% поляризациимонокристалла титаната бария. Это значение практически никогда не достигаетсявследствие внутренних механических напряжений и пористости керамики; обычно поляризациясоставляет около 55% когда поле приложено, и меньше это значения, когдаполяризующее поле снято.

Значения пьезоэлектрических коэффициентов для керамики также ниже, чем длямонокристалла, составляя после соответствующей поляризации около 25% значенийдля монокристалла.

Легко видеть, что специфические условия, существующие в керамике сильновлияют на одни свойства кристалла и не влияют на другие. Например, полная поляризацияPSявляетсясредней величиной по различным кристаллитам; если кристаллиты ориентированыхаотически, то эта средняя величина обращается в ноль. Аналогичный пьезоэффектбудет мал, так как поле удлиняет одни кристаллы и укорачивает другие. Нодиэлектрическая проницаемость может сильно и не изменяться, так какизмерительное переменное поле в течение каждого полупериода будет увеличиватьполяризацию в одних кристаллах и уменьшать в других.

Свойствами керамики в определенной степени можно управлять. Желательные измененияпараметров можно получать, изменяя внутренние механические напряжения посредствомизменения качества помола (размеров кристаллов) или с помощью различныхпроцессов отжига. Для керамики титаната бария диэлектрическая проницаемостьувеличивается с уменьшением размера кристаллов. Добавки также могут изменятьвнутренние напряжения.

Микроскопический механизм спонтанной поляризации.

Для понимания причин и природы спонтаннойполяризации необходимо знание атомной структуры и ее изменений при фазовыхпереходах. Рассмотрим в качестве примера возникновение спонтанной поляризации втитанате бария (ВаТiO3), который по своей научной значимости итехническому применению занимает ведущее место среди сегнетоэлектриков. Именноизучение нелинейных свойств титаната бария, начатое в СССР Б. М. Вулом еще в1944 г., послужило мощным импульсом к развитию теоретических, экспериментальныхи поисковых работ в области сегнетоэлектричества.

При температуре выше 120°С (точка Кюри), титанат бария обладает кристаллическойструктурой типа перовскит. В состав элементарной ячейки, имеющей форму куба,входит одна формульная единица типа АВО3. Основу структуры составляюткислородные октаэдры, в центре которых расположены ионы титана. В свою очередьионы кислорода центрируют грани кубов, составленных из ионов бария.

Размеры элементарной ячейки больше удвоенной суммы ионных радиусов титана икислорода. Поэтому ион титана имеет некоторую свободу перемещения в пределах кислородногооктаэдра.

При высокой температуре вследствие интенсивного теплового движения ионтитана непрерывно перебрасывается от одного кислородного иона к другому, такчто усредненное во времени его положение совпадает с центром элементарнойячейки. Благодаря центральной симметрии такая ячейка не обладает электрическиммоментом.

При температуре ниже ТК = 120°С, как показывает опыт, энергиятеплового движения недостаточна для переброса иона титана из одною равновесногоположения в другое, и он локализуется вблизи одного из окружающих его кислородныхионов. В результате нарушается кубическая симметрия в расположении заряженныхчастиц, и элементарная ячейка приобретает электрический момент. Одновременно сэтим искажается форма ячейки — она вытягивается по направлению оси, проходящейчерез центры ионов кислорода и титана, сблизившихся между собой, принимая тетрагональную симметрию.

Взаимодействие между заряженными частицами соседних ячеек приводит к тому,что смещение ионов титана происходитв них согласованно, в одном направлении, а это, в свою очередь, приводит кобразованию доменов.

Рассмотренная схема образования спонтанной поляризации ВаТiO3носиткачественный характер. Тщательные исследования, выполненные с помощью дифракциинейтронов, показывают, что в действительности фазовый переход в сегнетоэлектрическуюфазу обусловлен смещением из симметричных положений не только ионов титанасущественный вклад в электрический момент каждой ячейки вносит и смещениекислородных ионов.

При зарождении новой (сегнетоэлектрической) фазы смещение ионов можетпроисходить в направлении любого из ребер кубической элементарной ячейки.Поэтому в тетрагональной модификации BaTiO3 возможны шестьнаправлений спонтанной поляризованности. Подобного рода фазовые переходы,наблюдаемые в ионных сегнетоэлектриках, получили название переходов типасмешения. Однако появление спонтанной поляризации может происходить не толькопри смещении ионов, но и за счет упорядочения в расположении дипольных групп,занимающих в симметричной (параэлектрической) фазе с равной вероятностью несколькоразличных положений равновесия. Такой механизм образования сегнетоэлектрическогосостояния более характерен для дипольныхкристаллов. В качестве типичных примеров можно указать кристаллы сегнетовойсоли, нитрита натрия, триглицинсульфата дигидрофосфата калия и др. Фазовыепереходы, связанные со спонтанным упорядочением дипольных моментов, называютпереходами типа «порядок-беспорядок».

В некоторых кристаллах электрические моменты соседних элементарных ячеек засчет соответствующего смещения ионов или упорядочения дипольных моментов оказываютсяориентированными во взаимно противоположных направлениях. Такие вещества сантипараллельными электрическими моментами называют антисегнетоэлектриками. Они также имеют доменное строение, однакоспонтанная поляризованность каждого домена равна нулю. В параэлектрической фазе(т. е. выше температуры Кюри) антисегнетоэлектрики могут обладать высокой диэлектрическойпроницаемостью. Примерами антисегнетоэлектриков являются цирконат свинца (PbZrO3),ниобат натрия (NaNbO3) дигидрофосфат аммония (NH4H2P04)и др.

<span Arial",«sans-serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">
3.3Применение

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

1)изготовление малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью;

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

3)использование сегнетоэлементов в счетно-вычислительной технике в

еще рефераты
Еще работы по материаловедению