154

e

e

8000

2

1

4000

0

0

ТК

Т

-120

-80 -40 0

40 80 Т,°С

а)

б)

а - зависимость e(Т) вблизи температуры Кюри при воздействии слабого поля

(кривая 1) и при воздействии сильного поля (кривая 2);

б - зависимость e(Т)

титаната бария в

широком

диапазоне температур;

показано соответствие фазовых переходов изменению геометрии решетки и направлению спонтанной поляризации.

Рисунок 5.6 – Температурная зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков.

5.1.4Сегнетоэлектрические материалы. Антисегнетоэлектрики

Внастоящее время известно несколько сотен соединений, обладающих

свойствами	сегнетоэлектриков. Температура			перехода	в	спонтанно
поляризованное состояние (точка Кюри) у различных сегнетоэлектриков
составляет от нескольких Кельвинов(например, у Pb2Nb2O7, ТК= 15 К) до
полутора тысяч Кельвинов (например, у LiNbO3 , Тк = 1483 К), а спонтанная
поляризованность Ps — от 10-5 до 3 Кл/м2). По				типу химической связи			и
физическим свойствам все сегнетоэлектрики принято подразделять на две
группы: 1) ионные кристаллы; 2) дипольные кристаллы.
У соединений первой группы характерным структурным элементом
кристаллической решетки является кислородный октаэдр, благодаря чему эти
материалы	получили		название	сегнетоэлектриков		-	кислор
октаэдрического типа. К ионным сегнетоэлектрикам относятся титанат бария
(ВаТiO3), титанат		свинца (РbТiO3),	ниобат калия (КNbO3),		ниобат	лития
(LiNbO3), танталат		лития (LiTaO3),	йодат калия	(KIO3), барий-натриевый

ниобат (Ba2NaNb5O15), или сокращенно — БАНАН и др.

155

У

кристаллов

сегнетоэлектриков

второй

группы

имеются

готовые

полярные

группы

атомов, способные занимать различные положения

равновесия.

К

дипольным сегнетоэлектрикам

относятся

сегнетова

соль

(NaKC4H4O6×4H2O),

триглицинсульфат

(NH2CH2COOH)3×4H2SO4

,

дигидрофосфат калия (КН2Р04), нитрит натрия NaNO2

и др.

Ионные и дипольные сегнетоэлектрики существенно различаются по

свойствам.

Так,

все

соединения

кислородно-октаэдрического

типа

нерастворимы в воде, обладают значительной механической прочностью,

легко

получаются

в виде поликристаллов по керамической технологии.

Наоборот, дипольные сегнетоэлектрики обладают высокой растворимостью в

воде

и

малой

механической

прочностью. Например, растворимость

сегнетовой соли в воде столь 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. 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.
В некоторых кристаллах электрические моменты соседних элементарных
ячеек	за	счет	соответствующего		смещения			ионов	или упорядочения
дипольных		моментов		оказываются		ориентированными				во	взаимн
противоположных направлениях. Такие вещества с антипараллельными
электрическими			моментами		называютантисегнетоэлектриками.
Примерами		антисегнетоэлектриков являются					цирконат		свинца(PbZrO3),
ниобат натрия NaNbO3, дигидрофосфат аммония (NH4H2PO4) и др.
В параэлектрической фазе (то есть выше температуры Кюри) сегнето- и
антисегнетоэлектрики				могут	обладать			высокой		диэлектричес
проницаемостью,			которая	постепенно	спадает с ростом температуры по
закону	Кюри -		Вейсса	(5.1). Это	находит		практическое			применение.
Преимуществом материалов-параэлектриков по отношению к тем ,жеили
иным	материалам в			сегнетоэлектрической				фазе(при Т<ТК)		является
обратимость		характеристики (при			этом	она		остается		нелинейной, с
достаточно большой крутизной: e ~ 1000 ¸ 10000) и частотной стабильностью
(до 1012 ¸ 1013 Гц).

5.1.5Применение сегнетоэлектриков

Втехническом применении сегнетоэлектриков имеется несколько направлений, важнейшими из которых следует считать следующие: 1) изготовление малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью; 2) использование материалов с большой нелинейностью

156

поляризации для диэлектрических усилителей,

модуляторов

и

других

управляемых

устройств;

3)

изготовление

температурных

датчиков

и

пироэлектрических преобразователей; 4) использование сегнетоэлементов в

вычислительной

технике в качестве ячеек ;памяти5) использование

кристаллов сегнето- и антисегнетоэлектриков для модуляции и преобразова-

ния

лазерного

излучения; 6)

изготовление

пьезоэлектрических

-пре

образователей и устройств селекции сигналов.

Конденсаторная

сегнетокерамика

используется

для

производства

обычных конденсаторов, поэтому имеет слабую

зависимость e

и

tgd

от

температуры и напряженности электрического поля(малую нелинейность) и

незначительные

потери.

Но

при

этом

эффективная

диэлектрическая

проницаемость имеет значения на два порядка превышающиеe обычной

керамики.

Одним

из

важнейших методов получения оптимальных свойств в

заданном

температурном

интервале

является

использование

твердых

растворов

различных

сегнетоэлектриков. Изменением

концентрации

компонентов

в

твердом

растворе

можно

регулировать

знач

диэлектрической

проницаемости,

смещать

температуру

Кюри, изменять

нелинейность

поляризации

и

. т.д Для

ослабления

нелинейности

и

температурной

зависимости

характеристик

конденсаторов

в

соста

сегнетокерамики

вводят

различные

добавки, которые

"размывают"

сегнетоэлектрический фазовый переход. В промышленности используют

несколько сегнетокерамических материалов, каждый из которых применяют

для

определенных

типов

конденсаторов, так как ни один

материал

не

отвечает совокупности всех желаемых свойств. В частности, используются

растворы BaTiO3 +BaZrO3

(Т-8000), BaTiO3 + окислы Zr и Bi (СМ-1), SrTiO3

+Bi4 Ti3O12 (Т-900) и другие. Первые два имеют максимальное значениеe в

области

комнатных

температур

и

используются

в

ограничен

температурном

диапазоне,

третий

имеет

спадающую

зависимость

зависимость e(Т), то есть является параэлектриком.

Материалы

для

варикондов имеют,

напротив,

резко выраженные

нелинейные

свойства;

они

применяются

для

изготовления

нелинейных

конденсаторов (варикондов). Одна из основных характеристик варикондов— коэффициент нелинейности, определяемый как отношение максимальной диэлектрической проницаемости к начальной диэлектрической проницаемости.

Численное значение коэффициента нелинейности для различных марок варикондов может изменяться от4 до 50 (в переменном поле). Основной кристаллической фазой в таких материалах являются твердые растворы системы Ва(Ti, Sn)О3 или Pb(Ti, Sn, Zr)О3.

Вариконды предназначены для управления параметрами электрических цепей за счет изменения их емкости. В простейшем случае им приходится работать при одновременном воздействии переменного(Е~) и постоянного

157

(Е-) электрических полей, причем Е- >> Е~.. Как уже отмечалось (пункт 5.1.2), важнейшим рабочим параметром сегнетоэлектрика в этих условиях является реверсивная диэлектрическая проницаемость eр. При заданной амплитуде Е~ реверсивная диэлектрическая проницаемость с ростом Е_ уменьшается.

Нелинейные диэлектрические элементы, обычно в тонкопленочном исполнении, являются основой разнообразных радиотехнических устройств

— параметрических усилителей,	низкочастотных усилителей мощности,
фазо-вращателей, умножителей	частоты, модуляторов, стабилизаторов

напряжения, управляемых фильтров и др.

Сегнетоэлектрики с ППГ. Благодаря диэлектрическому гистерезису

сегнетоэлектрики можно применять в запоминающих устройствах. Для этих

целей необходим

материал

с

возможно более

прямоугольной

петлей

Р

гистерезиса

(ППГ),

что

характерно

для

монокристаллов. Мерой прямоугольности петли

Pr

является

коэффициент

прямоугольности

h=Pr/Ps. В

отсутствие

внешнего

поля

сегнетоэлектрик с ППГ имеет два устойчивых

состояния,

соответствующих

различным

-Ec

Ec

E

направлениям

остаточной

электрической

индукции (рисунок 5.7) Одно из этих состояний

- Рr

в

запоминающей

ячейке

означает

хранение

единицы, а другое — хранение нуля. Подавая

Рисунок 5.7

внешнее

напряжение

различной

полярности,

сегнетоэлектрик можно

переводить

из

одного

состояния в другое. На этом основаны запись, считывание и стирание

информации.

Считывание

информации

можно

осуществитьбез

ее

разрушения, например, оптическим методом или измерением сопротивления

тонкой

полупроводниковой

пленки, нанесенной

на

поверхности

сегнетоэлектрика.

Время переключения ячейки пропорционально толщине кристалла и при

толщине в несколько десятых долей миллиметра составляет несколько

микросекунд. В сегнетокерамике процесс переполяризации									в	отдельных
зернах происходит независимо, и время прорастания доменов определяется
размерами зерен, которые можно уменьшить до нескольких микрометров. В
этом	случае		достигается		более	высокое		быстродействие, чем			в
монокристаллах, хотя ухудшается прямоугольность петли гистерезиса.
Электрооптические				кристаллы.		Кристаллы		ряда		-сегнетои
антисегнетоэлектриков обладают сильно выраженнымэлектрооптическим
эффектом, под которым понимают						изменение		показателя		преломления
среды,	вызванное		внешним		статическим		электрическим			.полемЕсли
изменение		показателя		преломления		пропорционально			первой		степени
напряженности, то			электрооптический эффект				называют линейным(или