Лабораторная работа №4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Общие сведения о природе сегнетоэлектриков

Сегнетоэлектриком называют диэлектрик, обладающий спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено внешним воздействием, например, электрическим полем. Под спонтанной поляризацией понимают электрическую поляризацию, возникающую в диэлектрике самопроизвольно, без внешних воздействий.

Свое название сегнетоэлектрики получили по названию минерала сегнетовой соли NaKC4H4O6. 4H2O, у которой впервые были обнаружены особые свойства.

Сегнетоэлектрики относятся к активным (нелинейным) диэлектрикам, характерными признаками которых являются:

а) высокие и сверхвысокие значения диэлектрической проницаемости;

б) резкая зависимость диэлектрической проницаемости от температуры и напряженности поля;

в) наличие петли гистерезиса.

Высокая диэлектрическая проницаемость, нелинейная зависимость поляризации от приложенного напряжения, способность к переполяризации под действием внешнего поля, хорошие пьезоэлектрические, электрооптические и другие нелинейно-оптические свойства предопределяют широкое практическое применение сегнетоэлектрических кристаллов.

Сегнетоэлектрики используют для производства конденсаторов с большой удельной емкостью, нелинейных конденсаторов, варикондов, пьезоэлементов, нелинейно-оптических устройств для управления лазерным лучом, элементов запоминающих устройств, позисторов – термосопротивлений с положительным температурным коэффициентом и т.д.

В числе керамических сегнетоэлектриков техническое применение получила керамика на основе твердых растворов титанатов бария, стронция, кальция и свинца (Т-7500, Т-1700). Наряду с указанным материалами широко используются сегнетоэлектрические кристаллы с водородными связями – сегнетова соль, дигидрофосфат калия и др.

По своему строению они бывают: ионные – титанат бария, титанат стронция, ниобат калия, титанат свинца или дипольные -

49

Лабораторная работа №4

сегнетова соль, дигидрофосфат аммония, нитрит натрия, некоторые дигидросоли калия.

Исходя из этого, спонтанная поляризация может быть вызвана, в некоторой области температур, или самопроизвольным смещением ионов, или ориентацией диполей.

Кристаллы сегнетоэлектриков состоят обычно из ряда областей (доменов), поляризованных в противоположных (180-градусные домены ВВ`) или в перпендикулярных (90-градусные домены АА`) направлениях (рис.1).

Промежуточные углы ориентации спонтанной поляризации между доменами в монокристалле встречаются значительно реже

(СС`, ДД`).

Рис.1. Доменная структура в монокристалле сегнетоэлектрика.

Домены представляют собой узкие (шириной около 2.10-6 м) вытянутые (длиной до 1.10-3м) области, с максимальной (до насыщения) поляризацией. Электрические моменты всех элементарных кристаллических решеток в домене направлены в одну сторону.

При этом толщина переходной стенки между 180-градусными доменами (линия ВВ` рис.1) составляет около одной постоянной решетки. С уменьшением этого угла толщина переходной стенки (границы) возрастает.

Если сегнетоэлектрик длительное время не испытывал воздействие внешнего электрического поля, то его суммарная поляризованность равна нулю. Под действием внешнего электрического поля домены ориентируются по полю. Это происходит вследствие движения доменных стенок. При этом происходит рост преимущественно тех доменов, в которых спонтанная поляризация совпадает с направлением внешнего электрического поля за счет поглощения доменов, сориентированных против поля. Этот вид поляризации под действием внешнего поля называется – доменная. Она обусловлена преимущественной ориентацией доменов в одном направлении.

50

Лабораторная работа №4

Температура, при которой происходит исчезновение спонтанной поляризации, получила название сегнетоэлектрической температуры Кюри Тк. При температуре Тк, соответствующей фазовому переходу, наблюдается максимум диэлектрической проницаемости.

Для сегнетовой соли, например, характерны два значения температуры Кюри (Тк1 = - 18оС и Тк2 = + 23оС) в промежутках между которыми кристаллы находятся в сегнетоэлектрическом состоянии, т.е. Р > 0.

Рис.2. Изменение структуры и направления вектора спонтанной поляризации в кристаллах титаната бария при понижении температуры

Для титаната бария в сегнетоэлектрическом состоянии ниже Тк имеются еще два значения температуры, при которых диэлектрическая проницаемость и поляризация резко меняются

(рис.3).

1.2. Механизм спонтанной поляризации сегнетоэлектриков

Сегнетоэлектрические переходы связаны с изменением структуры кристалла, при этом изменяется тип кристаллической решетки и она становится менее симметричной в сегнетоэлектрической фазе. Так, согласно рентгенографическим данным, с понижением температуры структура титаната бария переходит от кубической к тетрагональной, а затем к ромбической и ромбоэдрической модификации, при этом соответствующим образом меняется направление спонтанной поляризации (рис.3).

При температуре выше 120оС интенсивное тепловое движение не дает возникнуть спонтанной поляризации. При такой высокой

51

Лабораторная работа №4

температуре ВаTiO3 имеет кубическую решетку, обладающую высокой степенью симметрии.

При уменьшении температуры до Тк = 120оС образуется спонтанная поляризация, в результате которой ионы титаната приближаются к одному из шести окружающих их ионов кислорода

(рис.2).

В результате смещения иона титаната вдоль грани элементарной ячейки решетка деформируется (примерно на 1%), удлиняясь в направлении смещения иона и сокращаясь в двух других перпендикулярных направлениях, образуя тетрагональную ячейку.

Рис.3. Зависимость диэлектрической проницаемости ε (а) и поляризации Рс (б) от температуры для титаната бария

При дальнейшем охлаждении до 0оС, наблюдается второй фазовый переход из тетрагональной структуры в ромбическую. Это связано с тем, что ниже 0оС ионы титаната смещаются одновременно к двум ионам кислорода вдоль диагонали грани элементарной ячейки, которая в этом направлении удлиняется. При этой температуре вектор поляризации, сохраняя свою величину, меняет направление, устанавливаясь вдоль диагонали грани.

При температуре -70оС происходит последний фазовый переход и решетка приобретает более низкую симметрию, моноклинную или триклинную. Этот переход обусловлен тем, что ион титаната смещается одновременно к трем ионам кислорода вдоль диагонали куба элементарной ячейки. При этом вектор спонтанной поляризации вновь меняет свое направление, ориентируясь вдоль объемной диагонали.

52