Полупроводниковые материалы 7 страница

- 9,7 0,046 - Для подложек пленочных схем, каркасов ВЧ катушек индуктивности, микро- модульных галет с-12-14 2,46 0,70 4,1·1011 - 7,4 0,0032 - 7-IV-23 2,49 0,38 1,3·1010 - 5,1 0,0008 - Фотоситалл ФС148-1 2,45 14,8 - - 7,0 0,007 - - радиотехнические материалы в зависимости от назначения подразделяются на 3 типа: А – высокочастотная керамика для конденсаторов; Б – низкочастотная керамика для конденсаторов; В – высокочастотная керамика для установочных изделий и других изделий электронной техники. В зависимости же от области подразделения их подразделяют на классы. Внутри класса деление осуществляется по следующему принципу: - в классах материала типа А по значению температурного коэффициента емкости ТКС и значению ε; - в классах материалов типа Б по значению относительного измерения диэлектрической проницаемости ∆εт, под которым понимают изменение ε в интервале температур от -40 до +85°C по отношению к диэлектрической проницаемости при 20°C; - в классах материалов типа В по значению ТКЛР и по значению предела прочности σизг. В зависимости от интервала рабочих температур керамические материалы подразделяют на следующие категории:   1 – от -60°C до +85°C, 3 – от -60°C до ­­+125°C, 2 – от -60°C до +100°C, 4 – от -60°C до +155°C, 5 – от -60°C до +200°C, 6 – от -60°C до +300°C   Фарфоровые электротехнические материалы для электротехнических изоляторов и для изделий, работающих при постоянном и переменном токе, при f = 106 Гц подразделяются на 4 группы. Их свойства и области применения представлены в таблице 5.15.     Таблица 5.11- Свойства радиокерамических материалов в зависимости от состава   Материал   Плот- ностьг/см3   Тобжига, °С   ρv при 100°С Ом·м× ×1012   ε, при f=1МГц   tgδ×103 при f=1MГц ТКЛР× 106, 1/град при Т 20- -100°С   ТКЕ× 106, 1/град при Т 20- -100°С   Епр, кВ/мм Изолятор-ный фарфор 2,3-2,4 1300±20 1-10 5,6 9-12 - - 15-20 Радио-фарфор 2,9-3,0 1300±20 0,01-0,1 4,0-5,0 3-5 5,6 200±100 18-20 Ультра-фарфор 8,0-8,5 1370±20 0,1-1,0 8,0-8,5 0,3-0,5 4,5-5,0 110±20 25-30 Цельзиа- новая керамика 3,0-3,1 1390±10 6,5-7,0 0,2 2,1-2,2 65±5 35-45 Стеатино-вая керамика 2,9-3,0 1355±15 0,01-0,1 6,0-7,0 0,3-0,8 6,0-6,5 110±30 20-30 Алюмо-ксид 3,85-3,9 1670±30 9,8 0,2 5,4-5,5 95±5 35-45 Тикондо-вая керамика (на основе СаТiО3) 3,8-3,9 1375±15 0,01-1,0 140-160 0,2-0,5 8,0-9,0 -3300 10-12 Тикондо- вая керамика (на основе СаZrО3) 3,8-3,85 1350±20 0,001- -0,1 80-90 0,3-0,5 8,0-9,0 -700 10-12   Таблица5.12 – Основные свойства и области применения керамических материалов     Тип   Класс   Груп- па   Кате- гория   ε   ТКС ×106, 1/град.   tgδ×104 при Т=20°С   tgδ×104 при Т=155°С   ρ, Гом при Т=100°С   ρ, Гом при Т=155°С   Епр, кВ/мм   σизг, МПа   ТКЛР ×106, 1/град   Применение   А I а -3300 - - Для контурных и раз- делительных конден- саторов б -1500 - -   II а -750 - То же + дя термо- компенсирующих конденсаторов б 1; 4 -750 - е -150 - - -   III а -75 - Для конденсаторов высокой стабильности   ж - л - Б VI а 0,4 - - - 9,5-11 Для деталей с Траб до 800° С   В VII а 7,5 - 5-6 Для малогабаритных деталей массового производства в 7,5 - 5-6 VIII а 10,5 - - 3-5 Для крупногабаритных деталей и деталей сло- жной конфигурации г - 3-4 IX а - 5,5-7 Для антенных изоля- торов и деталей средств связи X а 7,5 - - 3,5-5,5 Для установочных изделий электронной техники б 7,5 - - 2,8-4,3   Г IV а - - 0,1 Для НЧ конденсаторов постоянного тока и им- пульсных однополяр- ных конденсаторов   V а - - 0,1 Для НЧ конденсаторов постоянного тока ж - - - -   Таблица 5.13 - Основные свойства и применение электротехнических фарфоровых материалов       Группа фарфора ρv, Ом·м при Т=20° ρv, Ом·м при Т=200° Епр, кВ/мм tg δ при f=1МГц ε при f=1МГц   Применение I   1012 108 0,025 5,0-7,0 Изоляторы и изделия >1000 В II   1013 108 0,025 5,0-5,7 III   1013 108 0,025 6,0-8,0 IV   1011 107 - - - Изоляторы и изделия <1000 В   5.4.9 Элементоорганические соединения Элементоорганические соединения занимают промежуточное положение между материалами органического и неорганические происхождения [1]. Их получают синтетическим путем. Молекулы их содержат атомы Si, Mg, Ti и др., что приводит к повышению нагревостойкости органической основы. Обычно основой их служит силоксановая группа. Свободные связи заняты органическими радикалами R. Энергия связи между атомами Si-O в 1,5 раза больше, чем между атомами C-C (89 ккал/моль против 59 ккал/моль), что обеспечивает этой минеральной цепочке стойкость к внешним воздействиям. Строение элементоорганических соединений может быть как линейным, так и пространственным, т.е. они могут быть термопластичны, как и термореактивны. Основные особенности, обусловленные составом и строением их полимерных молекул, следующие: - высокая нагрево- и холодостойкость (от -80 до +250°C); - стойкость к озону, кислороду, нефти, нейтральность к металлам, влагостойкость, гидрофобность; - хорошие диэлектрические свойства в диапазоне температур (несмотря на полярность кремнийорганики), мало изменяющиеся в широком интервале температур. Максимум tg δ лежит в области отрицательных температур (рисунок 5.22); - низкие механические свойства (из-за слабой связи между молекулами); - малая зависимость кинематической вязкости от температуры, объясняемая отсутствием водородных связей между цепями макромолекул (в отличие от полиамидов), а также свободным вращением органических радикалов вокруг силоксановой цепи. На рисунке 5.23 приведены температурные зависимости кинематической вязкости для трансформаторного масла (1) и кремнийорганической жидкости (2). -   Рисунок 5.22 – Зависимость диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь для одного из кремнийорганических полимеров   Рисунок 5.23 – Зависимость кинематической вязкости от температуры для трансформаторного масла (1) и кремнийорганической жидкости (2)   Кремнийорганические соединения сочетают в себе свойства органических (эластичность, гибкость) и неорганических материалов (нагревостойкость). Из них изготавливают гибкую пластмассовую изоляцию, лаки, компаунды, клеи. Выпускается более 50 различных марок кремнийорганических масел, каучуков, смол, пластмасс, лаков, эмалей. Кремнийорганические масла содержат около 10 атомов Si, молекулы малы, применяются для гидрофобных консистентных смазок (например, масло смазочное 132-08), дающих малый коэффициент трения, для пропитки. Кремнийорганические каучуки относятся к эластомерам и применяются в качестве гибкой нагревостойкой (до 200°C) изоляции. Вулканизированные перекисью, кремнийорганические каучуки с добавкой наполнителей (TiO2, SiO2, ZnO) для придания механической прочности представляют собой эластичную резину, успешно работающую от -70 до +200°C с высокими диэлектрическими свойствами (tg δ = 0,0016-0,0038; ρv = 1013- 1014 Ом·м; Епр= 25-35 кВ/мм). В пластмассах в качестве связующего используют кремнийорганическую смолу, чтобы не снизить нагревостойкость минерального наполнителя. К недостаткам кремнийорганических материалов относится высокая температура и длительность процесса полимеризации, а также высокая стоимость. Применение изоляции на основе кремнийорганических соединений играет важную роль в двигателях, трансформаторах и аппаратах, для которых вес, габариты и надежность имеют первостепенное значение. Это особенно существенно в авиации и ракетостроение. Эмали, лаки, пластмассы на основе металлосилоксановых полимеров выдерживают рабочие температуры от -60 до +550°C. Среди лаков широко применяются полиалюмоорганосилоксановые марок КО-810, КО-816 и термостойкий лак КО-08, а среди эмалей – термостойкая кремнийорганическая эмаль КО-88 и алюминиевая КО-83. 5.5 Химический состав и строение активных диэлектриков, области применения   5.5.1 Сегнетоэлектрические материалы Сегнетоэлектрические материалы представляют собой монокристаллические или поликристаллические вещества, в которых существует спонтанная (самопроизвольная) поляризация в отсутствии внешнего электрического поля при температуре ниже точки Кюри. Для этих материалов характерны доменное строение, очень высокое значение диэлектрической проницаемости ε, сильная и нелинейная зависимость величины, сильная и нелинейная зависимость величины ε от напряженности внешнего электрического поля Е. Впервые сегнетоэлектрические свойства были обнаружены у природного соединения сегнетовой соли NaKC4H4O6·4H2O, поэтому по предложению первых исследователей сегнетоэлектричества И.В. Курчатова и П.П. Кобеко этот класс веществ назван сегнетоэлектриками. Рассмотрим природу спонтанной поляризации на примере титаната бария (BaTiO3). При температуре выше точки Кюри, титанат бария (рисунок 5.24, а) имеет кубическую кристаллическую решетку типа перовскита (перовскит – CaTiO3, природный минерал, имеющий такую же структуру). Ион Ti4+ свободно размещается в пределах октаэдра, образуемого его ближайшими соседями (шестью кислородными ионами O2-). Ион Ti4+ имеет в этом кислородном октаэдре шесть устойчивых положений и шесть потенциальных ям вблизи каждого из ионов O2-. При температуре T>Θ энергия теплового возбуждения иона Ti4+ велика и он свободно перескакивает из одной потенциальной ямы в другую, его усредненное положение во времени совпадает с центром элементарной кристаллической ячейки. Структура BaTiO3 симметрична, а электрический диполь отсутствует.     Рисунок 5.24 – Схема элементарной кристаллической ячейки титаната бария   При температуре T<Θ энергия теплового возбуждения иона Ti4+ мала, он локализуется в одной из шести потенциальных ям вблизи какого-то иона O2-. В результате этой локализации иона Ti4+ нарушается симметрия элементарной кристаллической ячейки BaTiO3, из кубической (a = в = с, α= β = γ=90°) она превращается в тетрагональную (а =в≠с; с/а=1,01; α=β=γ=90°). Центры положительно и отрицательно заряженных ионов не совпадают при T<Θ. Элементарная кристаллическая ячейка самопроизвольно «искажается», и в ней спонтанно появляется электрический момент m. Такую элементарную кристаллическую ячейку можно рассматривать как диполь, существующую в отсутствии внешнего электрического поля Е. При этом вектор электрического момента диполя определяется выражением m= q·l, (Кл·м), где q – заряд (Кл), l – линейное смещение зарядов в пространстве (м). Соседние элементарные ячейки – диполи взаимодействуют друг с другом, это приводит к тому, что ионы Ti4+ в них смешаются согласованно, в одном направлении. Образуется микроскопическая область из элементарных ячеек-диполей с аналогичной поляризацией. Макрообласть, в которой все векторы электрических моментов, отвечающие за поляризацию данного объема, расположенны параллельно друг другу, называется сегнетоэлектрическим доменом. Отдельные домены имеют различные направления векторов электрических моментов, в целом же в материале, представляющем из себя совокупность доменов, поляризация практически отсутствует, суммарный момент равен нулю. Линейные размеры сегнетоэлектрических доменов у BaTiO3 10-3…10-1 мм, а толщина границы доменов составляет одну-две постоянных решетки, т.е. единицы и десятки ангстрем (десятки и сотни). Внешнее электрическое поле Е оказывает сильное влияние на доменное строение, а следовательно, и свойства сегнетоэлектриков. Основные диэлектрические свойства материала связаны следующими соотношениями   , 5.1   , 5.2   , 5.3   где D – электрическое смещение (электрическая индукция), Кл/м2; Е – напряженность электрического поля в диэлектрике, В/м; Е= Е0-Е' (Е0 – приложенное внешнее поле, Е' – поле связанных зарядов в диэлектрике, ослабляющее поле Е0); P – поляризованность, или суммарный электрический момент единицы объема диэлектрика, Кл·м/м3 = Кл/м2; ε0– электрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость вакуума), в системе СИ ε0= 8,854 Кл/В·м = Ф/м; ε- относительная диэлектрическая проницаемость или просто диэлектрическая проницаемость материала. Из уравнения 5.1 видно, что электрическое смещение D – векторная величина, равная сумме двух слагаемых, отражающих как вклад электрического поля E в диэлектрике, так и вклад материала, т.е. поляризованности диэлектрика P в величину смещения D. У всех сегнетоэлектриков поляризованность P и электрическое смещение D сильно нелинейно зависят от напряженности электрического поля E. Отсюда вытекает (уравнение 5.2), что величина ε также сильно и нелинейно зависит от E. При внесение сегнетоэлектриков в поле E в нем наблюдается рост доменов, благоприятно ориентированных по отношению к вектору внешнего поля E. При увеличении поля E общая поляризация единицы объема материала быстро увеличивается до тез пор, пока векторы электрического момента m в большинстве доменов не примут одинаковое направление, параллельно вектору E. Это состояние сегнетоэлектрика называют «насыщением» поляризации Ps. Дальнейшее увеличение Е сверх Еs не дает заметного увеличения P. Если снижать поле Е до нуля, то не сохранится осаточная поляризованность Pост. Для того, чтобы Pост данного образца снизить до нуля, необходимо приложить коэрцитивное поле Ес, по знаку противоположное поляризующему полю. При увеличении поля обратного знака до –Еs мы вновь достигаем «насыщения» поляризованности –Рs. Изменение поля от –Еs через нуль до Еs замыкает кривую поляризованности, получаем петлю сегнетоэлектрического гистерезиса Р(Е), показанную на рисунке 5.24, а. Также выглядит для сегнетоэлектрика и зависимость D(E). Площадь петли гистерезиса пропорциональна рассеянию энергии на «переполяризацию» за один период. Ход кривой ε(Е) для сегнетоэлектрика целиком определяется ходом кривой D(E) и может быть графически трактован как тангенс угла наклона касательной кривой D(E) в масштабе 1/ε (рисунок 5.24, б). Также выглядит для сегнетоэлектрика и зависимость D(E). Площадь петли гистерезиса пропорциональна рассеянию энергии на «переполяризацию» за один период. Ход кривой ε(Е) для сегнетоэлектрика целиком определяется ходом кривой D(E) и может быть графически трактован как тангенс угла наклона касательной кривой D(E) в масштабе 1/ε0 (рисунок 5.24, б).     Рисунок 5.24   Сегнетоэлектрическое состояние диэлектрика исчезает выше некоторой температуры, называемой температурой перехода, или точкой Кюри Θк. Выше этой температуры сегнетоэлектрик переходит в параэлектрическое состояние, что сопровождается разрушением доменного строения и резким уменьшением диэлектрической проницаемости. Обращает на себя внимание внешнее сходство с петлей сегнетоэлектрического гистерезиса и петлей ферромагнитного гистерезиса. При температуре точки Кюри Θк (рисунок 5.25) наблюдается максимум в кривой зависимости ε(Т). Это связано с тем, что при T<Θ и при Т, приближающейся к Θ, даже небольшое изменение поля вызывает направленный переход ионов Ti4+ через потенциальные барьеры, а при T>Θ переход ионов осуществляется самопроизвольно, хаотично. Вследствие хаотичности исчезает поляризованность ячейки, исчезает доменная структура, уменьшается ε, исчезает зависимость ε от напряженности поля Е.     Рисунок 5.25 Классификация сегнетоэлектрических материалов. Среди сегнетоэлектрических материалов [II] можно выделить две группы: материалы с упорядочением и материалы со смещением. В первой группе материалов переход в сегнетоэлектрическое состояние при Θк связан с упорядочением ионов, во второй группе материалов – со смещением одной подрешетки ионов относительно другой. Первая группа сегнетоэлектриков (с упорядочением) включает кристаллы с водородными связями, где возникновение спонтанной поляризации связано с движение ионов водорода. При T<Θ распределение ионов водорода в водородных связях ассиметрично относительно соседних ионов, так как один из концов водородной связи для ионов водорода более предпочтителен, чем другой. При T>Θ ионы водорода распределены в водородных связях симметрично. Вторая группа сегнетоэлектриков (со смещением) включает ионные кристаллы кислородно-октаэдрического типа структурой, близкой к перовскиту. В таблице 5.14 приводятся данные о некоторых сегнетоэлектриках [12]. Даны значения точки Кюри Θ, при которой материал из низкотемпературного спонтанно-поляризованного состояния переходит в высокотемпературное неполяризованное состояние, и значения спонтанной поляризованности Pсп. Сегнетоэлектрики первой группы имеют низкую Θ, хорошо растворяются в воде (часть из низ можно пилить влажной ниткой), механические очень непрочны; это ограничивает их применение в технике. Лишь за последние годы эти кристаллы нашли применение в оптоэлектронике (при эксплуатации требуют герметизации). Сегнетоэлектрики второй группы все имеют достаточно высокую точку Кюри, хорошую механическую прочность, практически нерастворимы в воде. Материалы именно этой группы нашли широкое применение в технике под названием сегнетокерамика. Начало получению и техническому применению сегнетокерамики было положено работами Б.М. Вула в 1944 г. Путем спекания порошков BaCO3 и TiO2 по керамической технологии он получил поликристаллический метатитанат бария BaTiO3 или просто титанат бария. Этот материал обладает изотропностью и проявлял сегнетоэлектрические свойства по всем направлениям. Зависимости важнейших свойств титаната бария от напряженности электрического поля, температуры и частоты приведены на рисунок 5.26. Сейчас известно довольно большое число поликристаллических сегнетоэлектриков на основе титаната бария и других систем, обладающих различными свойствами. Например, на графике рисунок 6.8 хорошо видно, что меняя состав керамической массы от чистого BaTiO3 и затем добавляя различные количества BaZrO3, можно получить целый набор сегнетоэлектрических керамик с различной ε и значительным смещением Θ. Основные свойства промышленных сегнетокерамических материалов представлены в таблице 5.15. Таблица 5.15 – Сегнетоэлектрические кристаллы   Группа   Состав Θ, К Рсп×3·105 (в системе СИ)   KDP   KH2PO4 16000 (при 96 К) KD2PO4 13500 (при 96 K) RbH2PO4 16800 (при 90 K RbH2AsO4 - KH2AsO4 15000 (при 80 K) KD2AsO4 - CsH2AsO4 - CsD2AsO4 -   TGS   Триглицин сульфат 8400 (при 293 К) Триглицинселенат 9600 (при 273 К)     Перовскиты   BaTiO3 78000 (при 293 К) SrTiO3 9000 (при 4 К) WO3 - KNbO3 90000 (при 523 К) PbTiO3 >150000 (при 300 К)   LiTaO3 - 70000 (при 720 К) LiNbO3     Рисунок 5.26 Конденсаторная сегнетокерамика со слабой нелинейностью, т.е. та, у которой ε сравнительно мало меняется с изменением напряженности поля, применяется для изготовления конденсаторов с большой удельной емкостью. Эти конденсаторы являются низкокачественными, так как ход ε для них аналогичен изображенному на рисунке 5.26, в. Недостатком такого материала является низкая температурная стабильность из-за сильной нелинейности ε(Т) – резкий пик при Т = 0. Для увеличения температурной стабильности идут на то, что размывают пик, но при этом снижается и ε. К этому виду сегнетокерамики относятся такие наиболее широко распространенные составы: СК-1 – керамика на основе SrTiO3 СК-2 - керамика на основе (Ba, Ca, Sr) TiO3 СК-3 - керамика на основе (Ba, Zr) TiO3 СМ-1 - керамика на основе (Ba, Zr) TiO3 + оксиды Zr, Bi Материалы различаются между собой, главным образом, значением ε =1000…6000 и положением температурного максимума ε. Материал Т – 7500 является твердым раствором SrTiO3 и CaTiO3 в BaTiO3. Точка Кюри у него находится в области комнатной температуры, в этой же области лежит максимум ε. Материал используют для изготовления конденсаторов, в том числе и высоковольтных, работающих при Ткомн. Нелинейная сегнетокерамика типа ВК имеет более резкую нелинейность ε (Е) и ε (Т) по сравнению с BaTiO3. Среди этих материалов преобладают твердые растворы титанат-станнат бария (ВК-2, ВК-5) и титанат-цирконат-станнат свинца (ВК-6). Максимальную ε можно получить у керамики ВК-5 до 100000 при Е = 1 кВ·см (рисунок 5.27). Главное применение этой группы сегнетокерамики – изготовление нелинейных конденсаторов - варикондов (резкая нелинейная зависимость ε от Е). Одна из основных характеристик варикондов – коэффициент нелинейности К= εmax/εнач, где εmax- максимальное значение ε при некоторой максимальной для данного материала (рисунок 5.27) напряженности электрического поля к начальному значению ε. Вследствие нелинейной зависимости емкости варикондов от Е их применяют в качестве диэлектричеких усилителей постоянного и переменного токов, умножителей и делителей частоты, стабилизаторов напряжения, ограничителей и регуляторов сигналов, фазовращателей, бесконтактных включателей и т.д. Материал типа ВК-6, обладающий ППГ, применяют для построения ячеек памяти в запоминающих устройствах. Сегнетоэлектрические ЗУ характеризуются высокой плотностью записи информации, однако их быстродействие невелико. Терморезистивная сегнетокерамика по величине удельного сопротивления при комнатной температуре (ρ= 10-3-10-4 Ом·м) относится к полупроводниковым материалам, отличается большим, положительным ТКР (до 0,1 К-1). В небольшом температурном интервале сопротивление растет при нагреве вблизи точки Θ (рисунок 5.28) на несколько порядков (до 10-12 Ом·м). Перспективным материалом считают твердый раствор титанатов бария и стронция, легированный лантаном Bax Sr1-xTiO3: La. Терморезистивная керамика идет на изготовление терморезисторов с положительным ТКР – позисторов. Позисторы используются в ограничителях и регуляторах температуры, в стабилизаторах тока, в схемах температурной компенсации и т.п. В заключение необходимо отметить, что сегнетоэлектрические прозрачные монокристаллы за последние годы очень активно применяются в устройствах оптоэлектроники как материал для активных управляемых оптических средств, так и как материал для приемников различного рода излучения. [13], [14].     Таблица 5.16 – Свойства керамических материалов с нелинейной поляризацией   Свойства При 20 °С Конденсаторная сегнетокерамика Пьезокерамика Керамика для варикондов СМ - 1 Т - 7500 Ε   3000-4000 6000-7500 1500-1700 рисунок 2.9 tg δ при f = 1 кГц ≤ 0,03 ≤ 0,03 ≤ 0,03 ≤ 0,18 ρv, Ом·м   109 - 1010 109 - 1011 108 - 109 108 - 109 Епр, МВ/м   ≥ 4 ≥ 2,5 ≥ 2,5 ≥ 2,5 Θк, °С   таблица 2.17 Пьезомодуль, Кл/Н - - 7·1011 - Ϭиз, МПа   Плотность, г/см3 5,5 5,5 Температура спекания, °С Основные методы формирования прессование протяжка литье прессование протяжка прессование протяжка литье Прессование и др. Таблица 5.17 – Характеристики керамики для варикондов   Материал   Точка Кюри, °С Коэффициент нелинейности К Особенности материала ВК - 1   ≥ 4 Простая технология     ВК - 2   ≥ 8 Высокие значения К     ВК - 3   до 8 Высокие значения К     ВК - 4   ≥ 8 Стабильные значения К и ε   ВК - 5   ≥ 20 Очень высокие значения К   ВК - 6   8 - 30 Высокая стабиль-ность параметров       Рисунок 5.26 Рисунок 5.27 Рисунок 5.28   Разработка и создание оптоэлектронных устройств, предназначенных для управления световым лучом, предполагает использование оптически активных сред. К числу таких устройств относятся разного рода модуляторы и дефлекторы, преобразователи излучения, устройства оптической памяти и т.п. В основу принципа действия этой группы устройств положены различные физические эффекты, например, электрооптический (изменение показателя преломления в сильном электрическом поле); классическим электрооптическим материалом являются кристаллы типа – KH2PO4, NH4H2PO4, NH4H2AsO4, KD2PO4 и некоторые другие. Очень перспективным материалом для модуляции светового потока, например, лазерного излучения, являются ниобат лития LiNbO3, танталат лития LiTaO3, «банан» Ba2NaNb5O15. Материалом для акустических дефлекторов (устройств, работающих на осуществление акустооптического эффекта, то есть устройств, позволяющих осуществить управляемое отклонение светового луча в самой оптической среде за счет дифракции световой электромагнитной волны на звуковых волнах) являются ниобат лития LiNbO3, молибдат свинца PbMoO4, двуокись теллура TeO2 и др. Сегнетоэлектрики типа кристаллов КДР, LiNbO3, LiJO3, «банан» Ba2NaNb5O15 позволили решить одну из задач нелинейной оптики по визуализации невидимого ИК-излучения в видимое с КПД, близким к 100%. Сегнетоэлектрические материалы используются для изготовления приемников оптического излучения оптоэлектронных устройств, в частности для изготовления тепловых фотоприемников. В основе работы тепловых фотоприемников лежит изменение физических свойств материалов приемника (сопротивления, спонтанной поляризации, изменение линейных размеров и т.п.) под воздействием падающего излучения, причем выходной сигнал зависит от мощности излучения. В таких приемниках активным слоем могут быть: кристаллы триглицинсульфата, сульфат и ниобат лития, твердые растворы типа BaNb2O6 – SrNb2O6, ZrNb2O6 – SrNb2O6, BaxSr1-xTiO3: La, танталат лития LiTaO3, сегнетоэлектрическая керамика типа ЦТС (цирконат – титанат свинца) и др. 5.5.2 Пьезоэлектрические материалы Пьезоэлектрические материалы - поликристаллические или монокристаллические диэлектрики, у которых под действием механических напряжений σ возникает поляризация – прямой пьезоэффект, и под действием приложенного электрического поля меняются линейные размеры, то есть происходит деформация образца (Δl/l) – обратный пьезоэффект, то есть пьезоэффект обратим. Пьезоэлектрики можно считать электромеханическими преобразователями, превращающими механическую энергию в электрическую, и наоборот. В упрощенном одномерном случае уравнения прямого и обратного пьезоэффектов можно записать [3]   ,   , где P= Q/S – поляризованность, то есть плотность электрического заряда Q, Кл/м2; σ= F/S – напряжение, возникающее в материале под действием силы F, Па = Н/м2; S – площадь, м2; d – пьезомодуль, Кл/Н; Δl/l– относительное удлинение или деформация; E – напряженность электрического поля, В = Н·м/Кл. Для более строгой записи надо помнить, что P и E – векторы, σ и Δl/l - тензоры второго ранга, а сам пьезомодуль – тензор третьего ранга dihk (матрица из 27 компонентов). Пьезомодуль d – одна из важнейших характеристик пьезоэлектрического материала, численно равен заряду, возникшему на единице поверхности диэлектрика (в результате его поляризации) при приложении к нему единицы давления. Если пьезоэлектрик использовать в режиме преобразования подводимой к нему электрической энергии Еэл в механическую энергию Емех колебаний, то важное значение имеет коэффициент электромеханической связи К=(Емех/Еэл)-1/2. Прямой и обратный эффекты линейны (рисунок 5.29) в первом приближении. Деформация пьезоэлектрика зависит от направления электрического поля и меняет знак при его изменении (рисунок 5.29, в), то есть при приложении к пьезоэлектрику синусоидального электрического поля Е в нем возникают синусоидальные деформации той же частоты.     Рисунок 5.29   Пьезоэлектрический эффект возникает только у тех кристаллов, элементарная ячейка которых не имеет центра симметрии. Это вещество с гетерополярной химической связью, то есть это ионные или полярные диэлектрики. Эта особенность строения приводит к тому, что под действием механических напряжений в материале возникает не только деформация сжатия (растяжение), но и деформация сдвига, это приводит к перемещению к противоположно заряженных ионов на неодинаковые расстояния, появляется индуцированная пьезополяризация внутри кристалла. Рассмотрим подробнее, как механическая работы (усилие сжатия – растяжения) превращается в электрическую на примере BaTiO3. Некоторый объем кристалла BaTiO3 после воздействия на него поляризующего поля Е при T<Θ можно рассматривать как большой электрический диполь – рисунок 5.30, а. На его противоположных поверхностях, перпендикулярных к направлению электрического момента, возникают электрические заряды различного знака, но равные по величине. Эти заряды быстро нейтрализуются притянутыми к поверхности заряженными частицами, которые всегда имеются во внешней среде, образуя двойной электрический слой, как показано на рисунке 5.30, б. При приложении сжимающего усилия F размеры элементарной ячейки BaTiO3 изменятся (рисунок 5.30, в), а это означает, что с уменьшением размера элементарной ячейки вдоль оси сжатия уменьшится и связанная с геометрией ячейки спонтанная поляризация. Следовательно, уменьшится и заряд, появляющийся на поверхности при поляризации. Это приводит к тому, что равный по величине и противоположный по знаку заряд двойного электрического слоя на поверхности оказывается свободным (рисунок 5.30, г).