Активные диэлектрики

В то время как к пассивным диэлектрикам предъявляются тре­бования сохранения стабильности свойств при различных внешних воздействиях, к диэлектрикам, выполняющим активные функции управления энергией или преобразования поступающей информа­ции, предъявляются требования совершенно противоположные. Чем сильнее изменяются свойства материала при внешних возмуще­ниях, тем лучше такой элемент выполняет свои функции.

Диэлектрики, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий и использовать эти воздейст­вия для создания функциональных элементов электроники, отно­сятся к группе активных диэлектриков: сегнето-, пьезо- и пироэлектрики; электро-, магнито- и акустооптические материалы; диэлект­рические кристаллы с нелинейными оптическими свойствами и др.

Рассмотрим активные диэлектрики, нашедшие наиболее широ­кое применение.

Сегнетоэлектрики – вещества, обладающие спонтанной поляризацией,направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля. Сегнетоэлектрики обладают рядом специфических свойств, которые проявляются лишь в определенном диапазоне температур. Температура Т _к (сегнетоэлектрическая точка Кюри) является температурой фазового перехода, ниже этой температуры сегнетоэлектрик обладает доменной структурой и характерными сегнетоэлектрическими свойствами; выше этой температуры происходит распад доменной структуры и сегнетоэлектрик переходит в параэлектрическое состояние. Следствием доменного строения сегнетоэлектриков являются нелинейная зависимость их электрической индукции от напряженности электрического поля (рис. 8.7), которая носит название диэлектрической петли гистерезиса и резко выраженная температурная зависимость диэлектрической проницаемости, в которой максимум диэлектрической проницаемости достигается при температуре, соответствующей точке Кюри. На рис. 8.8 приведена зависимость ди­электрической проницаемости титанита бария от температуры при различной напряженности электрического поля.

В настоящее время известно несколько сотен сегнетоэлектриков. которые по типу химической связи и физическим свойствам принято подразделять на две группы: 1) ионные кристаллы, к которым относятся титанат бария ВаТiO₃, титанат свинца РbТiO₃, ниобат ка­лия KNbO₃, барий -натриевый ниобат BaNaNb₅О₁₅, или сокра­щенно БАНАН и др.; 2) дипольные кристаллы, к которым отно­сятся сегнетова соль NaKС₄H₄O₆∙4Н₂О, триглицинсульфат (NH₂CH₂СOOH)₃H₂SО₄, дигидрофосфат калия КНРО₄ и др.

Все соединения первой группы нерастворимы в воде, обладают значительной механической прочностью, легко получаются по кера­мической технологии. Дипольные соединения, наоборот, обладают малой механической прочностью и растворимостью в воде, благода­ря чему можно вырастить крупные монокристаллы этих соедине­ний из водных растворов.

Рис. 8.7. Основная кривая поляризации Рис. 8.8. Диэлектрическая проница-

Сегнетоэлектрика и петля диэлектрического емость титаната бария в зависимости от

гистерезиса. температуры при различной напряжен-

ности электрического поля.

Сегнетоэлектрики находят применение: для изготовления мало­габаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной ем­костью; для изготовления материалов с большой нелинейностью по­ляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и дру­гих управляемых устройств; в вычислительной технике – для ячеек памяти; для модуляции и преобразования лазерного излучения; в пьезо- и пироэлектрических преобразователях. Среди конденсатор­ной сегнетокерамики можно выделить ряд материалов. Например, Т-900, кристаллическая фаза которого представляет собой твердый раствор титанатов стронция SrTiО₃ и висмута Bi₄Ti₃O₁₂ с темпера­турой Кюри Т _к=140°С. Этот материал имеет сглаженную за­висимость диэлектрической проницаемости от температуры. Для производства малогабаритных конденсаторов на низкие напряжения используют также материал СМ-1.изготовляемый на основе титанатабария с добавкой оксидов циркония и висмута. Для изготовления конденсаторов, работающих при комнатной температуре, в том чис­ле и высоковольтных, используется материал Т-8000 (ε_r≈8000), имеющий кристаллическую фазу на основе ВаТiO₃, BaZrO₃. Точка Кюри этого материала находится вблизи комнатной темпера­туры.

Для изготовления нелинейных конденсаторов применяются дру­гие сегнетоэлектрические материалы, обладающие резко выражен­ными нелинейными свойствами сильной зависимостью диэлект­рической проницаемости от напряженности электрического поля. Такие материалы называются варикондами. Вариконды предназна­чены для управления параметрами электрических цепей за счет из­менения их емкости. Сегнетоэлектрики, петля гистерезиса которых по форме близка к прямоугольной, например, такие, как тригли­цинсульфат (ТГС), можно применять в запоминающих устройствах ЭВМ.

Кристаллы некоторых сегнетоэлектриков и антисегнетоэлектриков имеют сильно выраженный электрооптический эффект (антисегнетоэлектрики, как и сегнетоэлектрики, также имеют доменное строение, однако спонтанная поляризованность каждого домена у них равна нулю, так как дипольные моменты внутри каждого доме­на сориентированы антипараллельно). Электрооптический эффект заключается в изменении показателя преломления среды, который вызван внешним постоянным электрическим полем. Он называется линейным (эффект Поккельса), если показатель преломления изме­няется пропорционально первой степени напряженности, и квадра­тичным, если наблюдается квадратичная зависимость от напряжен­ности поля (эффект Керра). Электрооптические свойства сегнетоэлектрических кристаллов используются для модуляции лазерного излучения, осуществляемого электрическим полем, приложенным к кристаллу. Для электрооптических модуляторов света исполь­зуют кристаллы ниобата лития LiNbО₃, дигидрофосфата калия КН₂Р0₄, прозрачную сегнетокерамику системы ЦТСЛ, представ­ляющую собой твердые растворы цирконата-титаната свинца с ок­сидом лантана.

Пьезоэлектрики – диэлектрики с сильно выражен­ным пьезоэлектрическим эффектом. Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризации диэлектрика под действи­ем механических напряжений. При обратном пьезоэффекте проис­ходит изменение размеров диэлектрика под действием приложенного электрического поля. Хотя в настоящее время известно более тыся­чи веществ, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, в пьезотехнике применяется ограниченное количество материалов. Важ­ное место среди них занимает монокристаллический кварц, из кото­рого вырезают пластины с нужной для получения высоких характе­ристик кристаллографической ориентацией. Кварцевые резонато­ры, представляющие собой полированные кварцевые пластинки с электродами и держателем, имеют очень малый tgδ и высокую механическую добротность (т. е. малые механические потери). Механическая добротность (величина, обратная tgδ) в кварцевых резонаторах может достигать 10⁶-10⁷. Кроме кварца в различных пьезопреобразователях используют кристаллы сульфата лития, сегнетовой соли, ниобата и танталата лития. Широко применяется для изготовления пьезопреобразователей пьезоэлектрическая кера­мика, изготовляемая в основном из твердых растворов цирконата-титаната свинца PbZr0₃–РbТiO₃ (ЦТС). Преимущество пьезокерамики перед монокристаллами – возможность изготовления ак­тивных элементов сложной формы и любого размера. Пьезокерамика применяется для изготовления малогабаритных микрофонов, те­лефонов, детонаторов, датчиков давлений, деформаций, ускорений, вибраций, пьезорезонансных фильтров, линий задержки, пьезотрансформаторов и др.

К активным диэлектрикам относятся пироэлектрики, т. е. диэлектрики, обладающие пироэлектрическим эффектом. Пи­роэлектрический эффект состоит в изменении спонтанной поляризованности диэлектриков при изменении температуры. К типичным линейным пироэлектрикам относятся турмалин и сульфит лития. Пироэлектрики спонтанно поляризованы, но в отличие от сегнетоэлектриков направление их поляризации не может быть изменено внешним электрическим полем. При неизменной температуре спон­танная поляризованность пироэлектрика скомпенсирована свобод­ными зарядами противоположного знака за счет процессов электро­проводности и адсорбции заряженных частиц из окружающей ат­мосферы. При изменении температуры спонтанная поляризованность изменяется, что приводит к освобождению некоторого заряда на поверхности пироэлектрика, благодаря чему в замкнутой цепи возникает электрический ток.

Пироэффект используется для создания тепловых датчиков и приемников лучистой энергии, предназначенных, в частности, для регистрации инфракрасного и СВЧ-излучения.

Значительным пироэффектом обладают некоторые сегнетоэлектрические кристаллы, к числу которых относятся ниобат бария и стронция, триглицинсульфат – ТГС, ниобат и танталат лития. Пироэлектрический эффект проявляется также в поляризованной, т. е. подвергнутой действию постоянного электрического поля, сегнетокерамике, а также у некоторых полимеров, например у поляри­зованных поливинилденфторида и поливинилиденхлорида.

К электретам относятся диэлектрики, способные длитель­ное время сохранять поляризованное состояние и создавать в окру­жающем их пространстве электрическое поле. Остаточная поляри­зация в электретах в отличие от пироэлектриков и поляризованных сегнетоэлектриков компенсирована не полностью, что приводит у них к отличной от нуля внешней напряженности поля, которая мо­жет быть очень высокой. Существуют различные способы получе­ния электретов. Так, термоэлектреты получают путем охлаждения в сильном электрическом поле расплава полярных диэлектриков; фотоэлектреты изготовляют из материалов, обладающих фотоэлектропроводностью – серы, сульфита кадмия – при одновременном воздействии света и электрического поля; короноэлектреты получа­ют при пониженном давлении газа в коронном разряде и др. Если за­ряд в электрете создается за счет различных релаксационных меха­низмов поляризации, то такие заряды называют гетерозарядами. Эти заряды имеют знак, противоположный знаку заряда электродов. Если заряды переходят на поверхность твердого диэлектрика из по­ляризующего электрода или воздушного зазора и имеют тот же знак, что и электроды, то такие заряды называют гомозарядами.

Гомозаряды преобладают у неорганических (керамических) мате­риалов и органических неполярных диэлектриков, гетерозаряды – у органических полярных диэлектриков. Время жизни электретов может достигать в нормальных условиях нескольких лет, но быстро уменьшается с повышением температуры и влажности за счет осво­бождения и нейтрализации носителей заряда, захваченных ловуш­ками.

Наибольшее практическое применение находят электреты из пле­нок полиэтилентерефталата (лавсана), фтопласта-4, поликарбоната и др. Электреты применяются для изготовления микрофонов, теле-

фонов, дозиметров радиации, влажности, электрометров в электро­фотографии и во многих других случаях.

Твердые диэлектрики для оптических квантовых генераторов (лазеров) являются активной средой, представляющей собой кристал­лическую или стеклообразную матрицу, в которой равномерно рас­пределены активные ионы (активаторы). Все процессы поглощения и излучения света связаны с переходами электронов между уровня­ми активного иона, при этом матрица играет пассивную роль. Спектр излучения лазера в основном зависит от типа активного иона, как вещество кристаллической или стеклообразной основы, так и акти­ваторы должны удовлетворять целому ряду специфических требо­вании. Свойства некоторых лазерных материалов приведены в табл. 8.6.

Таблица 8.6