Что такое сегнетоэлектрики

Введение

Сегнетоэлектриками
называются вещества, обладающие спонтанной электрической поляризацией, которая
может быть обращена приложением электрического поля E подходящей величины и
определенного направления. Этот процесс, называемый переполяризацией,
сопровождается диэлектрическим гистерезисом. Сегнетоэлектрики во многих
отношениях являются электрическим аналогами ферромагнетиков, в которых
намагниченность I может быть обращена магнитным полем H. Однако по своей
микроскопической природе сегнетоэлектрики и ферромагнетики совершенно различны.

Сегнетоэлектрики
отличаются большой диэлектрической проницаемостью, высоким пьезомодулем,
наличием петли диэлектрического гистерезиса, интересными электрооптическими
свойствами, и поэтому широко применяется во многих областях современной
техники: радиотехнике, электроакустике, квантовой электронике и измерительной
технике.

Сегнетоэлектрики
обладают интересными электрическими свойствами; во многих твердых телах силы
связи носят главным образом электрический характер, и тот факт, что в
сегнетоэлектриках эти силы могут проявляется весьма ярко, существенно облегчает
их изучение,

В
термине «сегнетоэлектрики» нашел свое отражение тот факт, что первые
сегнетоэлектрические свойства были обнаружены у сегнетовой соли. Позднее,
однако, выяснилось, что сегнетова соль является не типичным
сегнетоэлектрическим кристаллом.

Сегнетоэлектрики
являются твердыми телами, причем все они неметаллы. Свойства сегнетоэлектриков
проще всего изучать, если вещество находится в монокристаллическом состоянии.

Изучение
свойств ферромагнетиков, известных с глубокой древности, началось примерно с
1600г; в дальнейшем исследования Вебера и Эвинга привели уже в 1907г к
известной теории Вейса. Сегнетоэлектричество же было открыто лишь в 1921г
Валашеком в сегнетовой соли. В настоящее время известно уже более 700 веществ,
обладающих сегнетоэлектрическими свойствами.

Тремя
наиболее яркими особенностями сегнетоэлектриков являются обратимая поляризация,
«аномальные» свойства и нелинейности. Большинство сегнетоэлектриков перестает
быть сегнетоэлектриками выше некоторой температуры ТK, называемой температурой
перехода

Аномальное поведение вблизи ТK, вероятно не менее важно, чем
обратимая поляризация, но оно не является достаточным определением
сегнетоэлектрика. При температуре ТK диэлектрическая проницаемость резко
возрастает до весьма больших значений; именно эти большие значения в
окрестности ТK называют аномальными значениями

Ферроэлектрик

Ферроэлектрики в отличие от обычных диэлектриков проявляют резкую нелинейность зависимости Р f ( E) в сегнетоэлектрической области, так как при температуре ниже точки Кюри зависит от приложенного электрического поля.
 

Ферроэлектрики, или сег-нетоэлектрики, представляют собой кристаллические изолирующие вещества, у которых зависимость поляризации от напряженности внешнего электрического поля имеет такой же характер, как и кривая намагничивания для ферромагнитных материалов. Они являются как бы электрическими аналогами ферромагнетиков. Наиболее изученным и распространенным ферроэлектриком является титан бария, который с различными добавками используется для изготовления керамических микросхем.
 

Ферроэлектрики второго класса характеризуются значительно меньшими величинами энтропии переходов. Однако энтропии переходов изо-структурных веществ второго класса могут все-таки по порядку величины отличаться друг от друга. Поскольку энтропии переходов у соединений этого класса очень малы, то вероятно, что с увеличением температуры при фазовом превращении происходит только усиление либрации диполей, а не полная их переориентация, характерная для соединений первого класса. Все изученные до сих пор ферроэлектрические органические вещества относятся ко второму классу.
 

Хотя ферроэлектриком по определению является кристалл, обладающий обратимой поляризацией, на что указывает петля диэлектрического гистерезиса, желательно провести некоторое дополнительное подразделение.
 

Сегнетоэлектрики ( ферроэлектрики) — диэлектрики, у которых аналогично ферромагнетикам существует поляризация областей ( доменов) в отсутствии внешнего поля; это так называемая спонтанная поляризация, обусловленная внутренним строением молекул. Во внешнем поле происходит ориентация доменов, и величина е составляет несколько тысяч единиц.
 

Как и другие ферроэлектрики, ПВДФ обладает пироэлектрическими свойствами и характеризуется высокой диэлектрической проницаемостью, большой константой электрострикции и температурой Кюри, совпадающей с температурой плавления кристаллитов.
 

При использовании ферроэлектрика в качестве диэлектрического заполнителя конденсатора у последнего возникает остаточная поляризация, весьма похожая на остаточную намагниченность ферромагнетиков. При этом, создавая только частичный уровень остаточной поляризации, можно осуществить аналоговое запоминающее устройство. Интегрирование заряда — поляризации производится подобно интегрированию потока на магнитных сердечниках. Удается получить до тридцати воспроизводимых уровней. Поляризация определенной величины устанавливается импульсами в 1 мксек соответствующей полярности.
 

Кроме того, ферроэлектрики пригодны для работы при низких напряжениях ( менее 10в), что важно для создания вычислительных машин на полупроводниковых триодах.
 

Сегнетоэлектрики ( или ферроэлектрики, в англоязычной литературе, далее эти термины будут использоваться как равнозначные) — это кристаллические диэлектрики, обладающие в определенном интервале температур спонтанной ( самопроизвольной) поляризацией, которая существенно изменяется под влиянием внешних воздействий. Сейчас известно несколько сотен сегнетоэлектриков.
 

Сегпетоэлектрики иногда называют ферроэлектриками, так как их электрические свойства подобны магнитным свойствам ферромагнетиков.
 

Сегнетоэлектрики иногда называют ферроэлектриками ввиду формальной аналогии, которая существует между их свойствами и свойствами ферромагнетиков.
 

Элементарная площадка пластины из ферроэлектрика, находящаяся между обеими полосками, электризуется в направлении, соответствующем приложенному полю. Элементы пластины из ферроэлектрика, расположенные вдоль полосок X и Y, испытывают действие поля с вдвое меньшей напряженностью и в силу прямоугольного характера зависимости диэлектрической проницаемости от напряженности поля останутся практически в том же состоянии, что и до приложения поля.
 

За рубежом сегнето-электрики называются ферроэлектриками ввиду того, что сегнетоэлектрики формально являются электрическими аналогами ферромагнетиков.
 

Виды проницаемости

Материал в разных рабочих условиях нелинейного компонента меняет свои качества. Для их характеристики используются следующие виды проницаемости:

Статистическая (eст). Для ее вычисления применяется главная поляризационная кривая: eст = D / (e0Е) = 1 + Р / (e0Е) » Р / (e0Е).
Реверсивная (eр). Обозначает смену поляризованности сегнетоэлектрика в переменном диапазоне при параллельном влиянии стабильного поля.
Эффективная (eэф). Вычисляется по актуальному показателю тока I (подразумевается несинусоидальный тип), идущего в связке с нелинейным компонентом. При этом есть активное напряжение U и угловая частота w. Работает формула: eэф ~ Сэф = I / (wU).
Начальная. Она определяется в чрезвычайно слабых спектрах.

Применение

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

1) изготовление малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью;

2) использование материалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и других управляемых устройств;

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

4) использование кристаллов сегнето- и антисегнетоэлектриков для модуляции и преобразования лазерного излучения;

5) изготовление пьезоэлектрических и пироэлектрических преобразователей.

Ферроэлектрические наноячейки

Теперь физики из Гронингенского университета (UG) считают, что собрали достаточно доказательств для переубеждения скептиков. Результаты своего исследования они опубликовали вчера в журнале Nature Materials.

«Сокращение размеров ферроэлектрических материалов было предметом исследований уже более 20 лет», — говорит профессор функциональных наноматериалов UG Беатриз Ноэда (Beatriz Noheda).

Примерно восемь лет назад о прорыве объявила Лаборатория наноэлектронных материалов в Дрездене (Германия). Они утверждали, что тонкие пленки из оксида гафния становятся ферроэлектриками при толщине менее 10 нм, и что более толстые плёнки на самом деле теряют свои ферроэлектрические свойства. «Это противоречило всему, что мы знали, поэтому большинство ученых были настроены скептически, включая меня», — вспоминает Ноэда.

Отчасти недоверие было вызвано тем, что образцы гафния, используемые в этих исследованиях, были поликристаллическими, и присутствовавшие в них множественные фазы, мешали ясному пониманию такого нетрадиционного явления.

В отличие от группы из Дрездена, Ноэда и её коллеги для своих опытов вырастили чистые (однофазные) плёнки толщиной менее 10 нм, в которых с помощью электронного микроскопа и рентгеновской дифракции обнаружили ранее неизвестную полярную структуру, характерную для ферроэлектриков. Последующие тщательные измерения транспорта подтвердили, что материал действительно являлся ферроэлектриком.

«В подложке, которую мы использовали, атомы располагались несколько теснее, чем в оксиде гафния, поэтому кристаллы гафния получались немного напряжёнными», — поясняет Ноэда.

Кроме того, к своему удивлению, авторы подтвердили и ещё один странный результат, полученный в Дрездене: кристаллическая структура плёнки изменялась, когда толщина той становилась больше 10 нм. Механизм этого эффекта прояснило изучение фазовой диаграммы оксида гафния. Оказалось, что мелкие наночастицы обладают очень большой поверхностной энергией, создающей давление на кристалл вплоть до 5 гигапаскалей.

Для такого давления фазовая диаграмма показывает другую кристаллическую структуру. «Давление в сочетании с вызванным подложкой напряжением (эпитаксиальным сжатием) порождает полярную фазу, которая согласуется с наблюдениями того, что эти кристаллы являются ферроэлектриками», — заключила Ноэда.

По её мнению, результаты эксперимента с полной определённостью показывают: оксид гафния на наноуровне становится ферроэлектриком. Это значит, что из него можно изготавливать сверхминиатюрные запоминающие ячейки, которые смогут переключаться под действием крайне низкого электрического напряжения. Кроме того, применявшаяся в работе подложка была магнитной, и такая комбинация магнитных и ферроэлектрических ячеек даёт дополнительную степень свободы, обеспечивая запись двойного количества информации.

Авторы предполагают, что открытый ими механизм наноуровневого ферроэлектричества действует и для других простых оксидов, что даст почву для множества новых исследований и открытий. опубликовано econet.ru  

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

Перовскиты

Такие элементы существуют в двух форматах:

1. Монокристаллическом.
2. Керамическом.

В них присутствует кислородный октаэдр, в котором содержится ион Ti с валентностью 4-5.

Когда происходит параэлектрическая стадия, кристаллы приобретают кубическую конструкцию. На вершине сосредотачиваются ионы типа Ba и Cd. А их кислородные аналоги позиционируются в середине граней. Так формируется октаэдр.

Когда здесь меняются ионы титана, осуществляется СЭП. Подобные сегнетоэлектрики могут создавать твердые смеси с образованиями похожей структуры. Например, PbTiO₃-PbZrO₃ . Благодаря чему получается керамика с подходящими характеристиками для таких приборов, как вариконды, пьезоприводы, позисторы и т.д.

Домены

Большинство характеристик сегнетоэлектриков зависит от доменов. Так, параметр тока переключения имеет тесную связь с их поведением. Они есть и в монокристаллах, и в керамике.

Вам будет интересно:Краснобай — это? Определение и синонимы

Доменная структура сегнетоэлектриков – это сектор макроскопических габаритов. В нем вектор произвольной поляризации не имеет расхождений. А отличия есть лишь от аналогичного вектора в соседних секторах.

Домены разделяют стенки, которые способны сдвигаться во внутреннем пространстве монокристалла. При этом происходит увеличение одних и уменьшение других доменов. Когда идет переполяризация, секторы развиваются, благодаря смещению стенок или похожих процессов.

Электрические свойства сегнетоэлектриков, представляющих собой монокристаллы, формируются на основе симметрии решетки кристаллов.

Самая выгодная энергетическая структура характеризуется тем, что доменные рубежи в ней электрически нейтральны. Таким образом, поляризационный вектор проецируется на рубеж конкретного домена и равняется его длине. При этом он противоположен по направлению идентичному вектору со стороны ближайшего домена.

Следовательно, электрические параметры доменов формируются на основе схемы голова–хвост. Определены линейные значения доменов. Они находятся в диапазоне 10-4-10-1 см.

Измерительные операции

Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков почти всех классов отличается солидными значениями даже при показателях, отдаленных от TK.

Ее измерение происходит так: на кристалл наносятся два электрода. Определяется его емкость в переменном диапазоне.

Выше показателей ТK проницаемость имеет определенную термальную зависимость. Это можно вычислить, основываясь на закон Кюри-Вейса. Здесь работает следующая формула:

e= 4pC / (Т-Тс).

В ней С является постоянной Кюри. Ниже переходных значений она стремительно падает.

Буква «e» в формуле означает нелинейность, которая присутствует здесь в достаточном узком спектре со смещающимся напряжением. Из-за нее и гистерезиса проницаемость и объем сегнетоэлектрика зависят от рабочего режима.

Два основных типа пироэлектриков

Таковыми считаются сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики. У них есть сектора СЭП – домены.

В первом виде один домен образует вокруг себя деполяризующую сферу.

Когда создается много доменов, оно уменьшается. Сокращается и энергия деполяризации, но увеличивается энергия секторных стенок. Завершение процесса происходит, когда данные показатели становятся в один порядок.

Каково поведение СЭП при нахождении сегнетоэлектриков в наружной сфере, было описано выше.

Антисегнетоэлектрики – ассимиляция минимум двух подрешеток, помещенных друг в друга. В каждой направленность дипольных факторов параллельная. А их общий дипольный показатель – это 0.

В слабых спектрах антисегнетоэлектрики отличаются линейным типом поляризации. Но по мере увеличения силы поля они могут приобретать кондиции сегнетоэлектриков. Параметры поля развиваются от 0 до показателя Е_1. Поляризация растет линейно. На обратном движении она уже отходит от поля – получается петля.

Когда образуется напряженность диапазона Е_{2 ,} сегнетоэлектрик преобразуется в свой антипод.

При смене вектора поля Е ситуация идентична. Это означает симметричность кривой.

Антисегнетоэлектрик, превосходя отметку Кюри, приобретает параэлектрические кондиции.

При нижнем подходе к этой точке проницаемость достигает определенного максимума. Выше нее он варьируется по формуле Кюри-Вейсса. Однако абсолютный параметр проницаемости в обозначенной точке уступает аналогичному показателю сегнетоэлектриков.

Во многих случаях антисегнетоэлектрики обладают кристаллической конструкцией, родственной их антиподам. В редких ситуациях и при идентичных соединениях, но при разных температурах появляются фазы обоих пироэлектриков.

Самые известные антисегнетоэлектрики — это NaNbO_3, NH₄H₂P0₄ и т. д. Их количество уступает числу распространенных сегнетоэлектриков.

Поляризация

Из-за наружного электрического поля меняется вектор электрических действий доменов. Так возникает мощная поляризация сегнетоэлектриков. Вследствие чего диэлектрическая проницаемость достигает огромных значений.

Поляризация доменов объясняется их зарождением и развитием из-за сдвига их рубежей.

Обозначенная структура сегнетоэлектриков становится причиной непрямой зависимости их индукции от степени напряжения наружного поля. Когда оно слабое, вид связи между секторами линейный. Возникает участок, на котором смещаются доменные пределы по обратимому принципу.

В зоне мощных полей такой процесс является необратимым. При этом растут сектора, у которых вектор СЭП формирует минимальный угол с вектором поля. И при определенной напряженности все домены выстраиваются именно по полю. Образуется техническое насыщение.

В таких условиях при снижении напряженности до нулевого значения нет и аналогичного обращения индукции. Она получает остаточный показатель Dr. Если на нее будет воздействовать поле с противоположным зарядом, она стремительно уменьшится и изменит свой вектор.

Последующее развитие напряженности снова приводит к техническому насыщению. Таким образом, обозначается зависимость сегнетоэлектрика от переполяризации в варьирующихся спектрах. Параллельно с этим процессом идет гистерезис.

Напряженность диапазона Ер, при котором индукция следует через нулевое значение, – это коэрцитивная сила.

Классификация

Вам будет интересно:«Судачить» – это о любви к сплетням

Она довольно сложная. Обычно ключевыми ее аспектами являются конструкция элементов и контактирующая с ней технология образования СЭП при смене фаз. Здесь фигурирует подразделение на два вида:

Имеющие смещение. У них при фазовом движении сдвигаются ионы.
Порядок – хаотичность. При аналогичных условиях у них упорядочиваются диполя первоначальной фазы.

Канал ДНЕВНИК ПРОГРАММИСТА
Жизнь программиста и интересные обзоры всего. Подпишись, чтобы не пропустить новые видео.

У данных видов также имеются подвиды. Так, компоненты со смещением делятся на две категории: перовскиты и псевдоильмениты.

У второго вида есть деление на три класса:

Дигидрофосфаты калия (KDR) и щелочных металлов (например, KH2AsO4 и KH2PO4 ).
Триглицинсульфаты (ТГС): (NH2CH2COOH3)×H2SO4.
Жидкокристаллические компоненты

Заключение

Изучив
данный класс материалов — сегнетоэлектрики, мы нашли, что их самое
замечательное свойство состоит в том, что в них существуют области одинаково
направленной спонтанной поляризации — сегнетоэлектрические
домены. Под влиянием внешних воздействий сегнетоэлектрики могут переходить из
многодоменного состояния в монодоменное. Это свойство сегнетоэлектриков
используется для создания на их основе ЗУ ЭВМ. Многие сегнетоэлектрики обладают
аномально высокими значениями диэлектрической проницаемости и
пьезоэлектрических констант, сильной зависимостью физических свойств от
температуры, достигающих экстремальных значений и максимальной нелинейности в
окрестности точки фазового перехода сегнетоэлектрика в сегнетоэлектрическую
фазу.