XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

ВВЕДЕНИЕ

Сегнетоэлектрики — твёрдые диэлектрики, обладающие в определённом интервале температур собственным электрическим дипольным моментом, который может быть переориентирован за счёт приложения внешнего электрического поля. Наличие явления гистерезиса по отношению к электрическому дипольному моменту дало второе название данных веществ - ферроэлектрики, по аналогии с ферромагнетиками [1].

Микроскопической причиной сегнетоэлектричества является наличие внутри вещества атомных (или молекулярных) диполей. Эти диполи ориентируются внешним электрическим полем и остаются ориентированными после снятия поля; переключение направления поля на противоположное приводит к обратной ориентации диполей [5].

Рис. 1.  Основные нелинейные свойства   сегнетоэлектриков [2]

(а – диэлектрический гистерезис; б – динамическая нелинейность; в–нелинейный ток через сегнетоконденсатор; г – эффективная нелинейность; д – реверсивная нелинейность; с – амплитудная  модуляция)

На рисунке 1 представлены зависимости основных параметров сигнетоэлектриков, характеризующих нелинейные свойства в зависимости от напряженности электрического поля (зависимости а),б),г),д)) и времени приложения переменного  электрического поля (зависимости в) и е)) [2].

ВИДЫ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ

В настоящее время известно несколько сотен сегнетоэлектриков, которые по типу химической связи и физическим свойствам принято подразделять на две группы: 1) ионные кристаллы; 2) дипольные кристаллы. [2]

Для структуры ионных сегнетоэлектриков характерно наличие кислородного октаэдра, благодаря чему эти сегнетоэлектрики называют сегнетоэлектриками кислородно-октаэдрического типа. Ионные сегнетоэлектрики имеют структуру элементарной ячейки типа перовскита CaTiO₃. К ионным сегнетоэлектрикам относится титанат бария BaTiO₃, титанат свинца PbTiO₃, ниобат калия KNbO₃, ниобат лития LiNbO₃, танталат лития LiTaO3, йодат калия KIO3, ниобат лития LiNbO3, барий-натриевый ниобат (БАНАН) Ba₂NaNb₅O₁₅ и др. [6]

Все соединения кислородно-октаэдрического типа нерастворимы в воде, обладают значительной механической прочностью, легко получаются в виде поликристаллов по керамической технологии. Они представляют собой в основном кристаллы с преимущественно ионной связью. Спонтанная поляризация и фазовый переход диэлектрика из параэлектрического состояния в сегнетоэлектрическое происходит в результате смещения иона Ti4+ (или замещающего его) в объеме элементарной ячейки из центрального положения и деформации ячейки. При получении твердых растворов на основе таких кристаллов можно получать материал с широким диапазоном свойств. Например при изменении соотношения компонентов твердого раствора BaTiO₃ и SrTiO₃ диэлектрическая проницаемость изменяется от 2000 до 12000, а точка Кюри от 120^оС (BaTiO3) до 250^оС (Sr TiO₃) [6].

У дипольных кристаллов сегнетоэлектриков имеются готовые полярные группы атомов, способные занимать различные положения равновесия. К дипольным сегнетоэлектрикам относятся сегнетова соль NaKC₄H₄O₆.4H₂O, триглицинсульфат NH₂CH₂COOH.H₂SO₄, дигидрофосфат калия KH₂PO₄, нитрит натрия NaNO₂ и др. Именно в кристаллах сегнетовой соли впервые были обнаружены особенности в поведении диэлектриков, обусловленные спонтанной поляризацией. Отсюда произошло название всей группы материалов со специфическими свойствами — сегнетоэлектрики [6].

Рис. 2. Элементарная ячейка (а, а') титаната бария и ее проекция (б б') при температурах выше (а, а') и ниже точки Кюри (б, б') [7].

Дипольные сегнетоэлектрики обладают высокой растворимостью в воде и малой механической прочностью. Растворимость сегнетовой соли в воде так велика, что ее кристаллы можно распилить с помощью влажной нити. Благодаря высокой растворимости в воде можно легко вырастить крупные монокристаллы этих соединений из водных растворов. Атомы в этих соединениях связаны между собой преимущественно ковалентной связью.

Подавляющее большинство сегнетоэлектриков первой группы имеет значительно более высокую температуру Кюри и большее значение спонтанной поляризованности, чем сегнетоэлектрики второй группы. У значительной части дипольных сегнетоэлектриков точка Кюри лежит намного ниже комнатной температуры [6].

Кристаллы ряда сегнето- и антисегнетоэлектриков обладают сильно выраженным электрооптическим эффектом [6].

Сегнетоэлектрическими свойствами обладают также некоторые полупроводники и магнитоупорядоченные вещества. Сочетание различных свойств приводит к новым эффектам, например магнитоэлектрическим. Сегнетоэлектрические свойства обнаруживают не только твердые кристаллические вещества. Некоторые жидкие кристаллы и полимерные материалы тоже являются сегнетоэлектриками [6].

Сегнетоэлектрические жидкие кристаллы имеют сложную структуру молекул, обладающих спиральностью и поперечным дипольным моментом В смектических жидких кристаллах молекулярная структура такова, что молекулярные диполи соседних молекул благодаря стерическим взаимодействиям между молекулами ориентированы почти параллельно. Внешнее электрическое поле изменяет направление этих диполей на обратное за счет молекулярных вращений. Реализованы фазы, в которых дипольные моменты молекул в слоях чередуются так, что формируется своеобразная антисегнетоэлектрическая конфигурация молекул с дипольными моментами в соседних слоях, ориентированными в противоположных направлениях [6].

В полимере поливинилиденфториде молекулярные диполи, присоединенные к полимерному скелету, могут быть ориентированы в электрическом поле с образованием устойчивой решетки, обнаруживающей макроскопическую поляризацию [6].

ПРИМЕНЕНИЕ

Сегнетоэлектрические материалы широко изучались в перспективе разнообразных применений. Достаточно привести лишь несколько примеров. Большая диэлектрическая проницаемость вблизи Т_с (например, в BaTiO₃) представляет интерес с точки зрения применения в многослойных конденсаторах. Ниобат лития (LiNbO₃), обладающий большими электрооптическими коэффициентами, – наилучший материал для интегральных оптических модуляторов и дефлекторов. Тонкие пленки из цирконата-титаната свинца и лантана (PLZT) активно изучаются с целью создания энергозависимых микроэлектронных ЗУ с применением кремниевой технологии. (Бистабильная поляризация – идеальная основа для двоичных ячеек памяти).

Рис. 3. Практическое применение сегнетоэлектрических кристаллов [3]

Кристалл КН₂РО₄ широко применяется для удвоения оптической частоты лазера. Из триглицинсульфата (TGS) изготавливаются фотоприемники для инфракрасной области спектра. Сегнетоэлектрическая керамика и полимеры используются в качестве пьезоэлектрических преобразователей, гидрофонов и измерительных преобразователей давления. Успехи в этих и других технических приложениях будут определяться достижениями в области обработки материалов и выращивания кристаллов сегнетоэлектриков высокого качества [5].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Дальнейший прогресс в поиске, исследовании и разработке новых сегнетоэлектрических и родственных материалов и новых принципов их применений будет в значительной мере определять развитие областей современной техники. Исследование этой группы материалов в ближайших десятилетиях будет оставаться на переднем крае науки и техники.

Список литературы

Сегнетоэлектрики // АКАДЕМИК URL: https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1142335 (дата обращения: 10.12.2022).

Сегнетоэлектрики // ФТЕМК URL: http://ftemk.mpei.ac.ru/ctlw/pubs/etm_ee/dielf/07.07.04.htm (дата обращения: 10.12.2022).

Сегнетоэлектрики. Что это? // Новая университетская жизнь URL: https://gazeta.sfu-kras.ru/node/4968 (дата обращения: 10.12.2022).

Сегнетоэлектричество // Википедия, свободная энциклопедия URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Сегнетоэлектричество (дата обращения: 10.12.2022).

СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСТВО // Энциклопедия Кругосвет URL: https://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/SEGNETOELEKTRICHESTVO.html#part-1 (дата обращения: 10.12.2022).

Сегнетоэлектрические материалы // MEGABOOKURL: https://megabook.ru/article/Сегнетоэлектрические%20материалы (дата обращения: 10.12.2022).

Сегнетоэлектрики. Температура Кюри. // StudFilesURL: https://studfile.net/preview/745388/page:10/ (дата обращения: 10.12.2022).

Код для цитирования: Скопировать