Сегнетоэлектрики

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

В отсутствии внешнего электрического поля сегнетоэлектрики, как правило, имеют доменную структуру, то есть разбиваются на микроскопические области, обладающие спонтанной поляризацией. В принципе, у ферромагнетиков также имеются домены - области спонтанного намагничивания, поэтому поведение сегнетоэлектриков в электрическом поле подобно поведению ферромагнетиков в магнитном поле. Единственным разли­чием между сегнетоэлектриками и ферромагнетиками является то, что при помещении их в электрическое поле меняется вектор электрического смещения D = E + P, а у ферромагнетиков при помещении в магнитное поле меняется индукция B = H + I.

За рубежом сегнетоэлектрики называют ферро­электриками, поскольку сегнетоэлектрики являются формальными аналогами ферромагнетиков.

Отечественное название - сегнетоэлектрики прои­зошло от сегнетовой соли, двойной калий-натриевой соли винно-каменной кислоты (NaKC₄H₄O₆). Сегнетова соль была первым материалом, в котором обнаружена спонтанная поляризация. Свойства сегнетовой соли были всесторонне исследованы И.В. Курчатовым совместно с П.П. Кобеко в начале тридцатых годов двадцатого века. Монокристаллы сегнетовой соли нашли широкое применение для изготовления различных приборов в годы Великой Отечественной войны, однако в настоящее время сегнетова соль утратила свое техническое значение из-за низкой влагостойкости и низких механических свойств. Очень интенсивно начали развиваться фундаментальные и прикладные работы по сегнетоэлектричеству после открытия Б.М. Вулом (1944 г.) сегнетоэлектрических свойств титаната бария BаTiO₃.

На примере BаTiO₃ рассмотрим структуру и свойства сегнетоэлектриков.

Химические связи в BаTiO₃ ионно-ковалентные. Титанат бария кристаллизуется в структуру типа перовскит. Элементарную ячейку решетки такого типа можно представить следующим образом: основу структуры составляют кислородные октаэдры, в центре которых расположены ионы титана. В свою очередь, ионы кислорода центрируют грани куба, составленного из ионов бария (рис. 2).

Размеры элементарной ячейки больше удвоенной суммы ионных радиусов ионов титана и кислорода. Поэтому ион титана имеет некоторую свободу перемещения в кислородном октаэдре.

При достаточно высоких температурах тепловая энергия иона титана достаточна для того, чтобы он непрерывно перебрасывался от одного иона кислорода к другому, поэтому усредненное положение иона титана находится в центре элементарной ячейки, и элементарная ячейка является симметричной - кубической.

Понижение температуры ведет к снижению кинетической энергии иона титана и при некоторой температуре (ниже 120 °С) он локализуется вблизи одного из ионов кислорода. В резуль­тате, симметрия в расположении заря­женных частиц нарушается, и элемен­тарная ячейка приобретает дипольный момент. В соседней элементарной ячейке ион титана смещается к отри­цательному полюсу образовавшегося диполя. Таким образом, соседние эле­ментарные ячейки становятся спонтанно поляризованными.

Одновременно со спонтанной поляризацией идет деформация кристаллической решетки, и кубическая решетка становится ромбоэдрической.

Итак, ниже некоторой температуры (температуры Кюри) сегнетоэлектрики самопроизвольно поляризуются, и при этом деформируется их кристаллическая решетка. Выше температуры Кюри сегнетоэлектрики переходят в параэлектрическое состояние, и кристаллическая решетка становится симметричной. Изменение типа кристаллической решетки при переходе через точку Кюри принято называть фазовым переходом.

Образование доменов в кристаллах сегнетоэлектриков связано с тем, что в том случае, когда все соседние элементарные ячейки кристалла поляризованы в одном и том же направлении, вокруг кристалла появляется внешнее электрическое поле. Наличие электрического поля повышает энергию системы и для снижения энергии кристалл самопроизвольно разбивается на домены.

Поскольку ниже температуры Кюри симметрия кристаллической решетки уменьшается, то число направлений, вдоль которых выгодна спонтанная поляризация соседних кристаллических решеток, сравни­тельно мало. Такими направлениями будут направле­ния типа <111>. Соответственно соседние домены мо­гут быть разориентированы на 180 или на 90 градусов. Поскольку суммарные электрические моменты сосед­них доменов антипараллельны или перпендикулярны, то в целом кристалл сегнетоэлектрика не обладает электрическим моментом.

Важно отметить, что на границах доменов про­исходит постепенный поворот дипольных моментов из одного направления в другое, аналогично тому, как происходит этот поворот в ферромагнетиках. В этом еще одно сходство сегнетоэлектриков с ферромагнетиками. Очевидно, что границы доменов в сегнетоэлектриках взаимодействуют со структурными несовершенствами решетки так же, как и ферромагнетиках.

При помещении сегнетоэлектрика в элек­трическое поле некоторые домены имеют мини­мальную энергию, поскольку их дипольные мо­менты совпадают с направлением поля. Для сни­жения суммарной энергии материала эти домены растут, и суммарная поляризация сегнетоэлектрика увеличивается (рис. 4). После того, как благопри­ятно ориентированные домены заполнят весь крис­талл, рост поляризации прекратится.

Известно, что диэлектрическая проницае­мость является отношением вектора электрического смещения к вектору напряженности электрического поля e= D/E. Таким образом, в области резкого роста поляризации диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков максимальна.

Подобная зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков от напря­женности электрического поля позволяет использовать такие материалы для изготовления датчиков напряженности электрического поля и варикондов – нелинейных конденсаторов, емкость которых зависит от приложенного напряжения.

Существенное влияние на поведение диэлектриков в электрическом поле оказывает и температура. Как отмечалось ранее, при достижении некоторой температуры сегнетоэлектрики переходят в параэлектрическое состояние. Эту температуру называют температурой Кюри. Рассмотрим влияние температуры на свойства сегнетоэлектриков подробнее, в качестве примера вновь возьмем титанат бария. При повышении тем­пературы кинетическая энергия ионов возрастает, и взаимодействие между ионами кислорода и титана, образующими дипольные моменты, ослабевает. Поэтому поворот дипо­лей облегчается, и максимум поля­ризации наблюдается при меньших значениях напряженности электри­ческого поля. Следовательно, диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков растет. При равенстве энергии электростати­ческого взаимодействия ионов кислорода и титана с кинетической энергией колебаний ионов титана сегнетоэлектрик переходит в пара­электрическое состояние. При этом диэлектрическая проницаемость достигает максимума. Дальнейший рост температуры, приводит к тому, что тепловые колебания разориентируют диполи и диэлектрическая проницаемость снижается.

Из приведенного рассмотрения вытекают две важные особенности сегнетоэлектриков. Во-первых, сегнетоэлектрики можно использовать для изготовления датчиков температуры. Во-вторых, изменение энергии электростатического взаимодействия между ионами и изменение массы ионов при легировании позволяет изменять температуру Кюри. Последнее обстоятельство позволяет создавать материалы с размытой точкой Кюри, тогда в достаточно широком диапазоне температур у сегнетоэлектрики будет достаточно большая диэлектрическая проницаемостью, что позволяет использовать такие материалы для изготовления конденсаторов большой емкости. Кроме того, изменение точки Кюри при легировании позволяет изготавливать компенсирующие конденсаторы, емкость которых изменяется при нагреве и компенсирует изменение емкости других конденсаторов. В качестве иллюстрации влияния легирования на свойства сегнетоэлектриков рассмотрим легирование титаната бария цирконатом бария и титанатом калья.

Как видно из приведенных рисунков, легирование приводит к существенному изменению свойств сегнетоэлектриков, поэтому на базе твердых растворов изготавливаются материалы с различными свойствами.

Конденсаторная сегнетоэлектрическая керамика. Для изготовления конденсаторной сегнетоэлектрической керамики используют добавки, которые «размывают» сегнетоэлектрический фазовый переход, что приводит к сглаживанию температурной зависимости диэлектрической проницаемости. Следует, однако, отметить, что сглаживание зависимости диэлектрической проницаемости от температуры ведет к снижению диэлектрической проницаемости.

Среди существующей конденсаторной сегнетокерамики можно выделить:

1. Материалы со слабо выраженной зависимостью диэлектрической проницаемости от температуры. Типичным примером является сегнетокерамика Т-900. Данный материал является твердым раствором титанатов стронция и висмута. Максимум диэлектрической проницаемости соответствует точке Кюри, равной -140°С. В области рабочих температур (-50 +150°) температурная зависимость диэлектрической проницаемости - слегка падающая. Среднее значение e составляет 900.

2. Материалы со сглаженной зависимостью диэлектрической проницаемости от температуры. Типичный представитель этого класса материалов сегнетокерамика - СМ-1. Данную сегнетокерамику получают на основе титаната бария с добавкой окислов циркония и висмута. Материал используется для изготовления малогабаритных конденсаторов на низкие напряжения.

3. Материалы с максимальным значением диэлектрической проницаемости в заданном диапазоне температур. Типичным представителем является материал Т-8000. Данный материал является твердым раствором BaTiO₃ – BaZrO₃. Максимум диэлектрической проницаемости находится в области комнатной температуры и составляет 8000. Используется для изготовления конденсаторов при комнатной температуре, работающих в нешироком диапазоне температур.

Сегнетоэлектрическая керамика для варикондов. Варикондами называют нелинейные конденсаторы, емкость которых зависит от напряженности электрического поля. Одна из важнейших характеристик варикондов – коэффициент нелинейности К – отношение максимального значения диэлектрической проницаемости к начальной диэлектрической проницаемости. Коэффициент нелинейности для различных материалов изменяется от 4 до 50. Основной кристаллической фазой в таких материалах являются твердые растворы системы Ba(Ti,Sn)O₃ или Pb(Ni,Zr,Sn)O₃.

Сегнетоэлектрики с прямоугольной формой петли гистерезиса. Благодаря диэлектрическому гистерезису сегнетоэлектрики можно использовать для записи информации. Поляризация в одном направлении означает хранение в памяти единицы, а поляризация в другом направлении означает хранение нуля. Для этих целей наиболее подходят материалы с петлей гистерезиса, близкой к прямоугольной. Прямоугольная петля гистерезиса наблюдается в монокристаллических сегнетоэлектриках.