Активные диэлектрики. Сегнетоэлектрики. Пьезоэлектрики

Активные диэлектрики.

Активные диэлектрики – диэлектрики, свойствами которых можно управлять с помощью внешнего воздействия электрического поля и механических усилий, светом, температурой. Используются для генерации, усиления, модуляции оптических сигналов. К активным диэлектрикам относятся: сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электреты, жидкие кристаллы, материалы для твердотельных лазеров.

Сегнетоэлектрики

Сегнетоэлектрики – вещества со спонтанной поляризацией и доменной структурой. Во внешнем поле происходит смещение доменных границ, уменьшающее энергию сегнетоэлектрика в приложенном поле. В сильных полях смещение доменных стенок становится необратимым, дальнейшее возрастание поляризации происходит за счет индуцирования электронной и ионной поляризаций вплоть до состояния технического насыщения.

Диэлектрический гистерезис обусловлен необратимым смещением доменных стенок. Потери на переориентацию пропорциональны площади петли. Совокупность петель гистерезиса при различных амплитудах переменного поля образуют основную кривую поляризации.

По основной кривой определяется статическая диэлектрическая проницаемость:

ε_ст=D/ε₀E=1+P/ε₀E=P/ε₀E,  при P>>0

Эффективная диэлектрическая проницаемость определяется по действующему значению тока I в цепи с нелинейным элементом при заданном действующем напряжении U частотой w

ε_эф ~ С_эф = I/wU     U=U×sin(wt)

Также вводится ε_нач – диэлектрическая проницаемость образца в слабых полях.

При нагреве выше определенной температуры (точки Кюри) происходит распад сегнетофазы и переход в параэлектрическое состояние без спонтанной поляризации. Выше температуры Кюри (температуры фазового перехода) зависимость диэлектрической проницаемости: ε = С/(Т-Т_Кюри ), С – константа Кюри. Известно несколько сотен соединений с сегнетоэлектрическими свойствами: Pb₂Nb₂O₇ –  Т_Кюри=15К, LiNbO₃ –Т_Кюри=1483K , спонтанная поляризация сегнетоэлектриков также может изменяться в широких пределах (от 10^-5 до 3 Кл/м²).

По типу химической связи сегнетоэлектрики можно разделить на ионные и дипольные кристаллы. К ионным относятся BaTiO₃, PbTiO₃, KNbO₃, LiTaO₃, KIO₃, Ba₂NaNb₅O₁₅. В этих кристаллах реализуется фазовый переход типа «смещение». Симметрия понижается за счет смещения одного или  группы ионов в новую позицию (потери одной из сопераций симметрии), что приводит к образованию дипольного момента. Ионные сегнетоэлектрики нерастворимы в воде, прочные, могут производится в виде поликристаллов по керамической технологии.

Дипольные сегнетоэлектрики имеют в составе полярные группы атомов, которые могут занимать с равной вероятностью несколько положений. Для них имеет место фазовый переход типа порядок – беспорядок, в сегнетофазе ориентация дипольных моментов упорядочена. К этой группе относится сегнетова соль,   NaKC₄H₄O₆∙4H₂O, тригандинсульфат (NH₄OH₂COOH)₃∙H₂SO₄  и другие органические материалы. Дипольные сегнетоэлектрики обладают высокой растворимостью, малой прочностью, низкой температурой Кюри (менее 300K), позволяют выращивать монокристаллы из водных растворов.

Основные области применения сегнетоэлектриков:

1) Изготовление малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью. Сегнетоэлектрики для конденсирования должны иметь малый α_ε, большую ε, малые потери, а также минимальную зависимость ε_Е. Использование твердых растворов сегнетоэлектриков позволяет регулировать Т_Кюри и получать более сглаженные зависимости ε_Т. Примеры материалов для низкочастотных конденсаторов а) Слабо выраженная зависимость ε= ε(Т)   -  твердый раствор Т-900 SiTiO₃ и Bi₄Ti₃O₁₂

б) Сглаженная зависимость ε(Т)  - СМ-1 раствор BaTiO₃ и ZrO₂, BiO₂

в) ε(Т) с максимумом в определенном интервале Т-800 BiTiO₃, BaZrO₃

 Т_Кюри = -140 °С

2) Применение в качестве материалов с сильной нелинейностью поляризации во внешнем поле. Используются для усилителей, модуляторов и других устройств – нелинейных конденсаторов. Твердые растворы BaTiO₃ – BaSnO₃

3) Использование в вычислительной технике в качестве элементов памяти. В этом случае применяются материалы, в которых петля гистерезиса принимает форму, близкую к прямоугольнику (триглицинсульфат).

В керамических пленках переполяризация определяется размерами зерен и может осуществляться быстрее, чем в монокристалле, но при этом ухудшается прямоугольность петли.