Исследование сегнетоэлектриков. Свойства

Кристаллические диэлектрики, которые обладают в определённом интервале температур спонтанной поляризацией и которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий называются сегнетоэлектриками.

Присутствие спонтанной поляризации, то есть дипольного момента при отсутствии электрического поля — особенность более широкого класса диэлектриков, которые называются пироэлектрики. В отличие от других пироэлектриков, монокристаллические сегнетоэлектрики " уступчивы" по отношению к внешним воздействиям: направление и величина спонтанной поляризации могут сравнительно легко изменяться за счет действия упругих напряжений, электрического поля, а также при изменении температуры.

Очень важный признак сегнетоэлектричества составляет возможность переключения между разными поляризационными состояниями при приложении импульсов электрического поля. Отличие сегнетоэлектриков от диэлектриков это:

1) Весьма большие значения диэлектрической проницаемости ();

2) нелинейная зависимость поляризованности P от напряженности электрического поля E и, следовательно, – зависимость от Е;

3) явление сегнетоэлектрического гистерезиса, то есть отставание изменения электрической индукции от напряженности электрического поля.

4) максимумы диэлектрической проницаемости при температурах.

Сегнетоэлектрики обладают рядом свойств, которые появляются в определенном пределе температур. Температура Т_к (точка Кюри) это температура фазового перехода. Сегнетоэлектрики при температуре ниже точки Кюри обладают доменной структурой и свойствами, а выше происходит распад доменной структуры. Сегнетоэлектрик переходит в параэлектрическое состояние.

На рисунке 2 показана зависимость поляризации (или индукции) от напряженности поля, петля гистерезиса, и зависимость диэлектрической проницаемости от температуры.

Рисунок 2 – Основные нелинейные свойства сегнетоэлектриков (а – диэлектрический гистерезис; б – динамическая нелинейность; в–нелинейный ток через сегнетоконденсатор; г – эффективная нелинейность; д – реверсивная нелинейность; с – амплитудная модуляция)

Здесь показаны зависимости главных параметров сегнетоэлектриков, от напряженности электрического поля. Это показано на рисунках а, б, г, д. И зависимости параметров сегнетоэлектриков от времени приложения переменного электрического поля (рисунки в и е).

Когда температура сегнетоэлектрика поднимается выше температуры Кюри он теряет свои свойства и становится диэлектриком.

В пироэлектрическом кристалле изменение направления поляризации связано с существенной перестройкой кристаллической решетки.

Спонтанная поляризация сегнетоэлектриков связана со смещениями ионов по отношению к их положениям в неполяризованном кристалле.

В 20г. XX века был открыт эффект сегнетоэлектричества в сегнетовой соли. Раньше. считали, что условием сегнетоэлектричества является содержание водорода. Однако после открытия в 1945 г. сегнетоэлектричества в ВаТiO_з стало ясно, что наличие или отсутствие атомов водорода несущественно для сегнетоэлектричества.

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

1) использование сегнетоэлектриков для модуляторов, диэлектрических усилителей;

2) производство низкогабаритных и низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью;

3) использование сегнетоэлементов в электронно-вычислительной технике в качестве ячеек памяти;

4) изготовление пьезоэлектрических и пироэлектрических преобразователей.

5) использование сегнетоэлектриков и антисегнетоэлектриков для модуляции и преобразования лазерного излучения;

1.3. Применение сегнетоэлектриков

Кроме сегнетоэлектрических свойств эти материалы располагают пироэлектрическими и пьезоэлектрическими свойствами.

Пироэлектрики используются в различных приемниках изображения и детекторах. Пьезоэлектрические свойства могут использоваться в различных электромеханических устройствах, например, в микроэлектромеханике. [2].

За счет высокой диэлектрической проницаемости на основе перовскитоподобных оксидов возможно создание памяти очень высокой емкости. Были напечатаны работы показывающие возможности применения сегнетоэлектрических пленок в СВЧ-технике. В последнее время возникает интерес к тонким пленкам и наночастицам на основе сегнетоэлектриков.

Сегнетоэлектрические свойства сохраняются в перовскитах толщиной в несколько нанометров. За счет этого, можно открыть новые возможности применения наноразмерных сегнетоэлектриков: сегнетоэлектрические нанотрубки, которые могут быть использованы в широком спектре применения: конденсаторы, микросистемы подачи жидкости, а также получение матриц запоминающих конденсаторов которые могут быть использованы для создания запоминающих устройств высокой емкости.