Главная | Обратная связь

Диэлектрические свойства сегнетоэлектриков

 

При постоянной температуре образца связь между вектором электростатической индукции D и напряженностью внешнего поля ε для сегнетоэлектриков нелинейная (рис. 59.1), т. е. диэлектрическая проницаемость ε является функцией напряженности поля Е. Общее соотношениемежду указанными величинами выражается известной формулой

 

D=εε₀E. (1)

 

Однако здесь ε не является постоянной величиной. В частности, можно определить начальную ε_н, некоторую среднюю ε_ср и максимальную ε_max диэлектрические проницаемости:

 

(2)

 

Основную кривую поляризации (рис.1) получают при увеличении Е от нуля до заданного значения на предварительно деполяризованном образце.

Характерной особенностью сегнетоэлектриков является большая величина диэлектрической проницаемости в слабых полях.

В сильных полях Е > Е_max наблюдается уменьшение ε, что связано с окончанием процесса поляризации доменов. Например, на рис. 2 приведены кривые ε = f(E) при различных температурах для метатитаната бария. Из рисунка видно, что при T = 22° С вначале наблюдается рост ε, а затем некоторый спад. При Т == 130° С величина ε не зависит от поля в результате разрушения доменной структуры. Точка Кюри ВаТiO₃ соответствует 120° С . В интервале 0 — 120° С ячейка ВаТiOз тетрагональная, при 120° С происходит фазовый переход и тетрагональная ячейка превращается в кубическую, так что при 130° С она уже кубическая, а домены разрушаются за счет теплового движения. При 0°С для ВаТiOз наблюдается второй фазовый переход и ячейка из тетрагональной превращается в ромбическую, а в интервале — (70 — 90)° С — фазовый переход, при котором ячейка превращается в моноклинную или триклинную. Но эти фазовые переходы не разрушают доменную структуру, хотя векторы спонтанной поляризации изменяют свое направление. В тетрагональной ячейке, слабо отличающейся от кубической, отношение осей с/а = 1,01 и вектор спонтанной поляризации направлен вдоль оси с. Ниже 0° С для ромбической решетки вектор спонтанной поляризации направлен вдоль диагонали элементарной ячейки. После следующего фазового перехода вектор спонтанной поляризации направлен вдоль объемной диагонали.

 

 

 

Кроме значений ε_н и ε_max, которые обычно определяют для сегнетоэлектриков, находят также дифференциальную относительную диэлектрическую проницаемость

(3)

 

Очевидно, что ход кривой ε_диф = f(E) будет отличаться от хода ε=f(E)

Если вначале создать достаточно сильное поле E, так что будет справедливо неравенство Е > Е_max, а затем уменьшать постоянное поле по величине, то изменение D будет отставать от изменения E, т. е. будет наблюдаться гистерезис (рис. 3). Величина D_r, является остаточной индукцией, а напряженность поля E_c называют коэрцитивным полем. Кроме полной петли гистерезиса, отсекающей на осях величины D_r и Е_с, можно получать и частные циклы петель гистерезиса, которые соответствуют меньшему размаху изменений D и Е

 

 

По петлям гистерезиса можно определять, реверсивную диэлектрическую проницаемость ε_р, которую снимают при постоянном ио.и' на малом переменном сигнале. В зависимости от величины напряженности постоянного поля смещения реверсивная диэлектрическим проницаемость получается различной (рис.4). Этим пользуются для управления емкостью в специальных сегнетоэлектрических конденсаторах — варикодах.

 

При изменении температуры образца диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика изменяется. Ход кривой ε = f(T) зависит от направления поля по отношению к сегнетоэлектрической оси.

Как отмечалось, в тетрагональной ячейке ВаТiO₃ сегнетоэлектрическая ось направлена вдоль оси с. Перпендикулярное ей направление обозначают через а. Диэлектрическая проницаемость является тензором, и для ВаТiOз наибольшие изменения в районе фазовых переходов наблюдаются для компонента ε_a (рис. 5). Но в точке Кюри ε_a и ε_c сливаются, т. е. наблюдается равенство этих компонентов.

Приведенный пример для титаната бария нельзя рассматривать как типичный график для компонентов тензоров ε в любых сегнетоэлектриках. В частности для сегнетовой соли, имеющей две точки Кюри (при —18 и +23° С), между которыми наблюдается спонтанная поляризация, сегнетоэлектрической осью является ось а моноклинной структуры. Только вдоль этой оси и обнаруживаются сегнетоэлектрические свойства NaKC₄H₄O₆4H₂O. В направлении же осей b и с сегнетоэлектрические свойства не проявляются и диэлектрические проницаемости ε_b и ε_c составляют всего несколько единиц (рис.6).

Отметим также, что измерения компонентов тензора ε проводят на однодоменном или монодоменизированном кристалле. В ромбической модификации ВаТiOз измерения тензора ε затруднительны, и в большинстве случаев приводят усредненные величины ε, отнесенные к первоначальным кубическим или тетрагональным осям.

 

 

Температурная зависимость в в неполярной модификации или параэлектрическом состоянии может быть представлена законом Кюри — Вейса

 

(4)

 

Для метатитаната бария В = 10, а абсолютные значения С у разных исследователей сильно различаются, что связывают с различной технологией получения образцов. Часто принимают С = 10⁵ град. Закон Кюри — Вейса не применим непосредственно к точке Кюри, ибо при этом Т — Т_к = 0. Часто записывают закон Кюри — Вейса в форме

(5)

 

т. е. включают постоянную В во второе слагаемое (4), либо не учитывают ее ввиду малого значения.

 

 

 

 

 

Частотная зависимость e сегнетоэлектриков по своему характеру аналогична зависимости e=j(f) для материалов типа ферритов - с ростом частоты e уменьшается и в некоторой области может наблюдаться крутой спад. Например, на рис. 7 показана частотная зависимость e = j(f) для метатитаната бария при постоянной температуре. Следует заметить, что абсолютные значения величины e приводятся для общей ориентировки, поскольку они зависят от технологии изготовления кристаллов и от методики измерений. Кроме того, часто приводят такие зависимости для поликристаллических сегнетоэлектриков в виде керамики, где возможен значительный разброс всех параметров. Ясно, что при различных температурах изменения e неодинаковы, ибо различны и сами величины e. В качестве примера на рис. 8, а даны кривые e = f (Т) при разных частотах для сегнетоэлектрика Pb(Mg_1/3Nb_2/3)О₃ согласно измерениям Хучуа и Лычкатой. Здесь одновременно демонстрируется еще одна особенность — размытый сегнетоэлектрический фазовый переход и обнаруживаются релаксационные свойства, состоящие, в частности, в том, что с увеличением частоты максимум e сдвигается в сторону более высокой температуры, а его величина уменьшается. Так что в данном случае максимум e уже нельзя считать соответствующим точке Кюри. Подобными свойствами обладают также твердые растворы на основе BaTiO₃ — BaZrO₃ — BaSnO₃, SrTiO₃ — Bi_2/3 TiO₃ и др.

 

На рис.8, б приведены кривые tg d = f (Т) для сегнетоэлектрика Pb (Mg_1/3Nb_2/3) О₃. Обычно в сегнетоэлектриках несколько ниже точки Кюри наблюдается максимум tg d . Кроме того, в сегнетоэлектрической области tg d и выше, чем в параэлектрической, tg d обычно в пределах 0,01— 0,06. Эти потери в значительной мере определяются потерями на гистерезис, которые пропорциональны площади петли гистерезиса.

Общий характер частотной зависи-мости диэлектри-ческой проницаемости и потерь в слабых полях в поликристаллическом титаните бария показан на рис.9, где согласно исследованиям М. М. Некрасова и Ю. М. Поплавко приведены диэлектрическая проницаемость и tg d при поле смещения Е_см = О (кривые 1 и 3) и Е_см = 10 кВ/см (кривые 2 и 4). Как видно из рисунка, заметное уменьшение e и возрастание tg d наблюдается в области частот 10⁸—10¹⁰ Гц. По-видимому, это связано с инерционностью движения доменных границ.

В заключение отметим, что при повышении температуры наблюдается рост диэлектрических потерь за счет электропроводности сегнетоэлектрика.