Молекулярний механізм спонтанної поляризації сегнетоелектриків

На прикладі титанату барію ВаТіО₃ розглянемо деякі модельні уявлення, що пояснюють спонтанну поляризацію титанату барія. Він має найбільш просту кристалічну структуру в порівнянні з усіма відомими сегнетоелектриками. У неполярній фазі (вище точки Кюрі) це кубічна структура (рис.4,а): у вершинах куба – іони Ba²⁺, у центрах граней – іони О^2- та іон Ті⁴⁺ – у центрі куба.

Рис.4. Кристалічна гратка (а) та модель спонтанної поляризації (б) титанату барія

Через наявність центру симетрії дипольний момент елементарної комірки дорівнює нулю, і титанат барію у неполярній фазі є звичайним діелектриком з великим значенням діелектричної проникності. При температурі Кюрі відбувається фазовий перехід другого роду, що зводиться до деформації структури (рис.4,б): іони Ва²⁺ та Ті⁴⁺ зміщуються відносно іонів О^2-. Внаслідок цього утворюється дипольний момент елементарної комірки, структура якої в полярній фазі тетрагональна. Такі диполі по данному напрямку об'єднуються у киснево-титанові ланцюжки, які усередені кожного домену створюють спонтанну поляризацію. Таким чином, титанат барію, що є іонним кристаллом, входить до групи сегнетоелектриків "зі зсувом". Кількісним критерієм справедливості такої моделі є наступні чисельні оцінки.

Характерне значення спонтанної поляризованості при кімнатній температурі для титанату барію дорівнює 0,26 Кл/м². Об'єм елементарної комірки складає 6,4·10^-29 м³. Отже, для дипольного моменту елементарної комірки маємо: ≈ 1,6·10^-29 Кл·м. Якщо би позитивні іони Ва²⁺ та Ті⁴⁺ змістилися відносно негативних іонів О^2- на відстань ≈ 10^-2 нм, то створений у результаті дипольний момент елементарної комірки ВаТіО₃ виявився б рівним ≈ 0,96·10^-29 Кл·м, що по порядку величини відповідає експериментальному значенню.