5.5. Сегнетоэлектрики

Сегнетоэлектриками называют диэлектрические материалы, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля.

Впервые спонтанная поляризация была обнаружена в кристалле сегнетовой соли (NaKC₄H₄O₆ 4H₂O) и поэтому материалы, обладающие эффектом спонтанной поляризации называют сегнетоэлектриками.

В отсутствие внешнего электрического поля сегнетоэлектрики состоят из доменов – макроскопических областей размером 0,01-1 мкм, обладающих спонтанной поляризацией. Направление электрических моментов у разных доменов различно, поэтому суммарная поляризованность сегнетоэлектрика может быть равна нулю. Внешнее электрическое поле изменяет направление электрических моментов доменов, что обусловливает эффект сильной поляризации. Поэтому сегнетоэлектрики обладают очень большим значением диэлектрической проницаемости ε.

Сегнетоэлектрикам присущи следующие основные свойства.

1. Высокое и сверхвысокое значение диэлектрической проницаемости, которое может достигать величины 10⁵.

2. Сильная зависимость диэлектрической проницаемости от температуры с максимум при определенной температуре, называемой точкой Кюри. Выше этой температуры сегнетоэлектрик переходит в параэлектрическое состояние (рис.5.10). Переход сегнетоэлектрика в параэлектрическое состояние сопровождается резким уменьшением tgδ. Значение точки Кюри для различных сегнетоэлектриков находятся в пределах -170^оС÷+1200^оС.

3. Нелинейная зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля (Рис.5.11).

4. Достаточно резко выраженная зависимость ε и tgδ от частоты, особенно в области сверхвысоких частот.

5. Наличие диэлектрического гистерезиса, который обусловлен отставанием поляризации от приложенного поля. Площадь гистерезисной петли пропорциональна энергии, рассеиваемой в диэлектрике за период. Вследствие потерь на гистерезис сегнетоэлектрики характеризуются большим tgδ, доходящим до 0.1. (рис.5.12).

Рис.5.10. Зависимость диэлектрической проницаемости ε от температуры при двух значениях напряженности поля для титаната бария	Рис.5.11. Зависимость электрической индукции Д и диэлектрической проницаемости ε от напряженности поля для титаната бария

Рис. 5.12. Петля гистерезиса сегнетоэлектрика

Сушествование гистерезиса связано с наличием сигнетоэлектрических доменов – объемных областей в каждой из которых дипольные моменты фиксированы одинаково, но в соседних доменах векторы р направлены различно.

Из рис. 5.12 видно, что при определенном значении напряженности Е поляризация достигает насыщения P_s. Если после достижения насыщения поле уменьшается до нуля, то сохраняется поляризация Р_R, называемая остаточной. Для того, чтобы эту поляризацию свести к нулю, необходимо приложить внешнее поле обратного направления. Это поле Е_c называют коэрцитивной силой. Остаточная поляризация и коэрцитивная сила зависят как от природы материала, так и от факторов, влияющих на движение доменных стенок, - размеров кристаллитов, примесей, дефектов.

Поскольку поляризация Р сегнетоэлектриков зависит от внешнего поля Е нелинейно, определить диэлектрическую проницаемость таких материалов нельзя так просто, как это было сделано выше для несегнетоэлектриков. В этом случае ε сама является функцией напряженности поля. Поэтому для сегнетоэлектриков вводится понятие дифференциальной относительной диэлектрической проницаемости:

. (5.15)

Спонтанная поляризация сегнетоэлектриков сильно зависит от температуры. С повышением температуры Р уменьшается и при некоторой температуре Т_к, называемой сегнетоэлектриче-ской точкой Кюри, Р обращается в нуль. Таким образом, при Т>Т_к тепловое движение разрушает сегнетоэлектрическое состояние и сегнетоэлектрик переходит в параэлектрическое состояние. В параэлектрической области зависимость ε от температуры описывается законом Кюри-Вейсса:

, (5.16)

где С – постоянная Кюри.

По типу химической связи и физическим свойствам все сегнетоэлектрические материалы подразделяют на две группы: ионные кристаллы; дипольные кристаллы.

Ионные сегнетоэлектрики представляют из себя кристаллические материалы со структурой типа перовскита CaTiO₃ (исключение составляют сегнетоэлектрики LiNbО₃, LiTaO₃). Структурным элементом кристаллической решетки ионных сегнетоэлектриков является кислородный октаэдр, в центре которого расположены ионы Ti ⁴⁺, Nb⁴⁺, Ta⁴⁺, благодаря чему эти сегнетоэлектрики называют сегнетоэлектриками кис-лородно-октаэдрического типа. В ионных сегнетоэлектриках не содержатся атомные группы, обладающие постоянным дипольным моментом. Фазовый переход из параэлектрического состояния в сегнетоэлектрическое происходит в результате смещения ионов Ti, Nb или Та из симметричного состояния в центре кислородного октаэдра в другое, приводящее к появлению электрических моментов и возникновению спонтанной поляризации. Сегнетоэлектрики этого типа имеют большое значение спонтанной поляризованности и обладают высокой механической прочностью; получаются в виде поликристаллов по керамической технологии. Температура перехода из состояния спонтанной поляризованности в параэлектрическое состояние (температура Кюри) для различных сегнетоэлектриков находится в пределах 120^о – 1200^оС. К ионным сегнетоэлектрикам относятся титанат бария BaTiO₃ (Т_к = 120^оС), титанат свинца PbTiO₃ (Т_к = 493^оС), танталат натрия NaTaO₃ (Т_к = 660^оС), ниобат калия KNbO₃ (Т_к = 435^оС), ниобат лития LiNbO₃ (Т_к = 1200^оС) и другие.

Дипольные сегнетоэлектрики. К ним относятся кристаллические материалы, в которых существуют постоянные электрические диполи или дипольные группы, образованные атомами, связанными между собой ковалентной связью. В сегнетоэлектрическом состоянии диполи занимают упорядоченное расположение, то есть существует дальний порядок, а при переходе в параэлектрическое состояние выше точки Кюри дальний порядок в расположении диполей нарушается. Дипольные сегнетоэлектрики в большинстве имеет более низкое значение точки Кюри, чем сегнетоэлектрики кислородно-октаэдрического типа, меньшую механическую прочность и растворимы в воде. К дипольным сегнетоэлектрикам относятся сегнетовая соль C₄H₄O₆KNa ^. 4 H₂O (T_к = 24^оС), триглицинсульфат (СH₂NH₂COOH)₃ ^. H₂SO₄ (T_к = 49^о C), дигидрофосфат калия KH₂PO₄ (T_к =-150^о C), нитрит натрия NaNO₃ (T_к =163 ^о С) и другие.

Сегнетоэлектрические материалы применяются для изготовления различных компонентов и устройств радиоэлектронных средств: малогаборитных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью, варикондов – электрически управляемых конденсаторов, электрооптических кристаллов для генерации, модуляции, отклонения и преобразования частоты лазерного излучения.