Главная | Обратная связь

Свойства сегнетоэлектриков.

Цель работы

Изучение и анализ зависимости диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от внешнего электрического поля.

Теория.

1.1.Общие сведения о сегнетоэлектриках:

Сегнетоэлектрики - 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. В настоящее время известно несколько сотен сегнетоэлектриков, которые по типу химической связи и физическим свойствам принято подразделять на две основные группы:

• ионные кристаллы, к которым относятся титанат бария (BaTiO₃), титанат свинца (PbTiO₃), ниобат калия (KNbO₃), барий-натриевый ниобат (BaNaNb₅O₁₅) или сокращенно БАНАН и др.;
• дипольные кристаллы, к которым относятся сегнетова соль (NaKC₄H₄O₆^.4H₂O), триглицинсульфат (NH₂CH₂COOH₃^.H₂SO₄), дигидрофосфат калия (KH₂PO₄) и др.

Сегнетоэлектрики находят применение для изготовления малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью, материалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и др. управляемых устройств, для модуляции и преобразования лазерного излучения, в акусто- и пьезоэлектрических преобразователях.

Свойства сегнетоэлектриков.

Электрооптические свойства сегнетоэлектрических кристаллов используют для модуляции изменением электрического поля прикладываемого к кристаллу, осуществляемого электрическим полем, приложенным к кристаллу. Отметим, что все сегнетоэлектрики обладают пьезоэлектрическим эффектом, однако обратное не справедливо.

Пьезоэлектрические и сегнетоэлектрические материалы отличаются друг от друга тем, что у первых отсутствует спонтанная поляризация. Поляризацию указанных материалов можно рассматривать как электрический аналог намагниченности и другие свойства могут быть сходны по поведению, тогда как причиной их возникновения и следствием является воздействие на материалы электрической составляющей электромагнитных полей. У сегнетоэлектрических материалов также наблюдается доменное строение, им присуща кривая поляризации в зависимости от напряженности внешнего электрического поля с петлей гистерезиса (наклон зависит от диэлектрической проницаемости), температура Кюри, на их основе могут быть созданы электрооптические затворы, модуляторы, звукозаписывающие и воспроизводящие (эффект электрострикции) и другие подобные устройства. Сегнетоэлектрики, обладающие высокими значениями диэлектрической проницаемости используются как конденсаторные материалы.

Типичным представителем данного класса является титанат бария со структурой типа перовскита. Причина появления сегнетоэлектрических свойств в том, что центры тяжести ионов титана смещены относительно геометрических центров кислородных октаэдров (Рисунок 1.), что создает электрическую раскомпенсацию подрешеток положительно и отрицательно заряженных ионов.

Рисунок 1. Структура титаната бария (перовскит) с ромбоэдрическими искажениями

Спектр используемых материалов, обладающих специфическими электрическими свойствами достаточно широк. У диэлектрических изолирующих веществ большая ширина запрещенной зоны и электроны не могут проникнуть из валентной зоны в зону проводимости. В полупроводниковых материалах переход носителей тока в зону проводимости облегчается наличием промежуточных донорных или акцепторных уровней энергии. Металлические и некоторые другие материалы проводимостью за счет образования т.н. электронного газа не имеют запрещенной зоны. Проводимость в сверхпроводниках (интерметаллиды типа Nb₃Ge, Nb₃Sn, V₃Ga, сложные оксиды YBa₂Cu₃O_7-d или содержащие Bi, Tl, Hg) осуществляется по имеющимся гипотезам за счет т.н. куперовских электронных пар. В твердых ионных проводниках электроперенос осуществляется за счет подвижности ионов в кристаллической решетке по тому или иному механизму, при этом возможен униполярный перенос, т.е. только ионами одного знака, как в материалах, используемых для создания электрохимических топливных элементов. В последних происходит перенос кислорода через твердый электролит под действием разности химических потенциалов за счет того, что на одну из его сторон подаются газообразные окисляемые вещества (топливо). Такое устройство способно вырабатывать электроэнергию.

Для материалов, выполняющих те или иные электрические функции, важны температурные зависимости электропроводности. Так например в сложных оксидах при невысоких температурах может быть реализована проводимость за счет наличия примесей, а при их повышении – собственная (Рисунок 2.).

Рисунок 2.

 

Температурная

Зависимость