Сегнетоелектрика

Якщо структура кристалу наближена до кубічної, так що електричні моменти можуть розташовуватися в різних напрямках, то можна побачити великі зміни повного моменту при зміні прикладеного електричного поля. Всі моменти повертаються в напрямку поля, і ми отримуємо великий ефект. Речовини, які мають такий постійний момент, називаються сегнетоелектриками.

Розглянемо сегнетоелектричні властивості на прикладі титанату барію (Ba Ti O₃) (рис.5.7).

-Ti⁴⁺

- Ba²⁺

- O^2-

4Å

Рис.5.7. Кристалічна решітка титанату барію (Ba Ti O₃)

Виявляється, що вище деякої температури (а саме 118^оC) титанат барию - звичайний діелектрик з великою діелектричною проникністю, а нижче цієї температури він несподівано набуває постійного моменту.

В елементарній чарунці відстань між центрами іонів кисню й титану більше суми їх радіусів.Тому іон титану має деяку свободу переміщення в просторі між іонами кисню. При високій температурі інтенсивність теплового руху достатня для переходу іонів титану від одного іону кисню до другого, і знаходження титану поблизу кожного з них рівноімовірно (рис.5.8, а).

У випадку, зображеному на рис.5.8, б середня величина електричного моменту кожної чарунки, в зв’зку з її симетрією, дорівнює нулю. Але при температурі 118^оС енергія теплового руху є недостатньою для переходу іона титану від одного іону кисню до другого.

Знаходження іону титану поблизу одного з таких іонів порушує симетрію розташування заряджених частинок, які утворюють елементарну чарунку, і у неї виникає електричний момент. Паралельно з цим порушується форма чарунки - вона витягується в напрямку осі, яка проходить через центри іонів кисню та титану, які зблизилися між собою, переходячи з кубічної структури в тетрагональну. Взаємодія між зарядженими частинками сусідніх комірок призводить до того, що зміщення іонів титану проходить у них узгоджено, в одному напрямку, а це в свою чергу призводить до утворення доменів - областей, які мають спонтанну поляризацію. В кожному домені електричні моменти елементарних комірок направлені однаково, але у різних доменів ці напрямки різні, в зв`язку з чим кристал не утворює навколо себе електричного поля, що відповідає мінімуму вільної енергії кристалу в цілому.

O^2- Ti⁴⁺

t₁ > t_к > t₂

t_к = 118^oC

(a) (б)

Рис.5.8. Поведінка іону титану при різній температурі

Під дією поля кристал стає подібним до великого електричного диполя, і на двох протилежних поверхнях, які перпендикулярні до напрямку електричного моменту, з`являються електричні заряди, рівні один одному за величиною, але протилежні за знаком.

Поляризація сегнетоелектрика залежить не тільки від Е, але й від попередніх станів поляризованого сегнетоелектрика. Така залежність називається діелектричним гістерезісом (рис.5.9).

Після прикладення поля поляризація із збільшенням Е буде збільшуватись, так домени, які орієнтовані сприятливо, будуть рости за рахунок інших (ОА). Коли більшість доменів матимуть однаковий напрямок настає “насичення” поляризації. Додаткове збільшення напруженості поля може лише трохи збільшити електронну та іонну поляризації або більш чітко орієнтувати домени за напрямком поля.

P

P_зал С

å

D A

ä á

-E_коерц О Е

â G

F -P_зал

Рис.5.9. Петля гістерезіса дла сегнетоелектрика

При знятті поля поляризація повністю не зникає; після релаксації електронної і іонної поляризацій зберігається деяка залишкова поляризація P_зал. Для компенсації впливу доменів і досягнення нульової загальної поляризації необхідно прикласти протилежне за напрямком коерцетивне поле - Е_коерц. У випадку дії змінного поля виникає петля гістерезіса CDFGC, площа якої дорівнює втратам енергії за один цикл.

Після перевищення 118^оС (температури Кюрі) поляризація сегнетоелектриків лінійно залежить від прикладеного поля, тобто вони ведуть себе як матеріали, які мають електронну і велику іонну поляризацію.

Дослідження властивостей твердих діелектриків показало, що деякі з них поляризуються не тільки за допомогою електричного поля, але й у процессі деформації при механічній дії на них.

Поляризація діелектрика при механічній дії на нього називається прямим п`єзоелектричним ефектом. Цей ефект мають всі сегнетоелектрики та деякі інші діелектричні матеріали з несиметричною будовою кристалічної чарунки.

Деформація кристалів при поляризації, внаслідок дії зовнішнього електричного поля називається зворотнім п`єзоелектричним ефектом.

Дія змінного електричного поля призводить до зміни стиснення і розтягнення п`єзокристалу, і навпаки зміна стиснення і розтягнення призводить до виникнення на електродах п`єзокристалу змінного електричного поля.