Природа сегнетоэлектриков

Классификация сегнетоэлектриков

План лекции

СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ

ЛЕКЦИЯ 2.10

Вопросы для самопроверки

1. Дайте определение композиционного материала и приведите пример.

2. Что такое матрица композита и ее свойства.

3. Перечислите виды наполнителей композитов.

4. Что такое полиматричный композит и его особенности.

5. Основной состав композиционных материалов.

6. Что играет роль упрочнителя в композите.

7. Какие схемы армирования в композитах Вам известны.

8. Что такое дисперсно-упрочненный композит.

9. Что является упрочнителями в дисперсно-упрочненных композиционных материалах.

10. Какие дисперсно-упрочненные композиционные материалы на металлической основе Вам известны. Приведите примеры марок.

11. Из каких материалов чаще всего выполняют волокна в волокнистых КМ с металлической матрицей.

12. Что такое КМ на металлической и неметаллической основах.

13. Что является матрицей и наполнителем в КМ на металлической основе.

14. Что является матрицей и наполнителем в КМ на неметаллической основе.

15. В чем преимущества и недостатки КМ на неметаллической основе по сравнению с КМ на металлической основе.

16. Что такое стекловолокнит, углеволокнит, карбоволокнит. Укажите их состав и свойства.

17. Что является матрицей и наполнителем в керамических КМ.

18. Какие основные достоинства у композиционных материалов.

ТЕМА 2.5. Активные диэлектрикии элементы функциональной электроники

1. Классификация сегнетоэлектриков

2. Природа сегнетоэлектриков

3. Свойства сегнетоэлектриков

4. Механизм поляризации сегнетоэлектриков

5. Материалы оксидных сегнетоэлектриков

Сегнетоэлектрики на основе титанатов бария и стронция

Сегнетоэлектрики на основе титанатов свинца

PMN, PMD сегнетоэлектрики

Литература [1-3, 5, 24, 25, 29]

Направление функциональной электроники, использующее явления спонтанной и обратимой поляризации, фазовых переходов и нелинейностей, носит название сегнетоэлектроника. Сегнетоэлектрики, в большинстве своем, представляют собой сложные оксиды, при этом наиболее яркими представителями сегнетоэлектриков являются титанаты бария, стронция, свинца.

Сегнетоэлектрики – материалы, способные изменять сопротивление при наложении электрического поля

Сегнетоэлектрические материалы включают подгруппы пьезоэлектрических и пиро­электрических материалов.

Пьезоэлектрики – материалы, способные изменять сопротивление при наложении механической нагрузки.

Пироэлектрики – материалы, способные изменять сопротивление при изменении температуры.

Термины диэлектрик, сегнетоэлектрик (СЭ), пьезоэлектрик (ПЭ) и пироэлектрик (ПРЭ) указывают на изменения поляризации вещества, обусловленные малыми изменениями приложенного электрического поля (СЭ), механического напряжения (ПЭ) и температуры соответственно (ПРЭ). Изменения поляризации могут быть обнаружены по току, возникающему в некоторой цепи, присоединенной к электродам кристалла. Поляризация может изменяться при изменении внешних условий.

Если поляризация изменяется под действием малого изменения внешнего механического напряжения, то вещество проявляет свои пьезоэлектрические свойства.В пьезоэлектриках, не являющихся пироэлектриками, поляризация равна нулю в отсутствие поля и напряжения.

В том же случае, когда поляризация изменяется в результате малого изменения температуры, вещество демонстрирует свои пироэлектрические свойства. Пироэлектрики имеют некоторую поляризацию даже в отсутствие внешних полей и напряжений; эта поляризация называется спонтанной поляризацией Р_S. предполагается, что если в кристалле имеется P_s, то он является пироэлектриком, т. е. P_s изменяется при изменении температуры. Поэтому вещества, обладающие спонтанной поляризацией, называют пироэлектриками. При наличии спонтанной поляризации P_s изменение температуры, не приводящее к изменению симметрии кристалла, в общем слу­чае будет изменять величину P_s.

В диэлектриках, не являющихся ни пьезоэлектриками, ни пироэлектриками, поляризация равна нулю в отсутствие поля Е. В некоторых пироэлектриках изменения поля могут умень­шить поляризацию до нуля и изменить ее направление на об­ратное.

Для понимания причин и природы спонтанной поляризации необходимо знание атомной структуры и ее изменений при фазовых переходах. Рассмотрим в качестве примера возникновение спонтанной поляризации в титанате бария (ВаТiO₃), который по своей научной значимости и техническому применению занимает ведущее место среди сегнетоэлектриков.

При температуре выше 120°С (точка Кюри), титанат бария обладает кристаллической структурой типа перовскит, показанной на (рис 2.10.1, а). При температуре ниже Т_С= 120 °С, как показывает опыт, энергия теплового движения недостаточна для переброса иона титана из одного равновесного положения в другое, и он локализуется вблизи одного из окружающих его кислородных ионов.

Рис. 2.10.1. Кристаллическая структура титаната бария

В результате нарушается кубическая симметрия в расположении заряженных частиц, и элементарная ячейка приобретает электрический момент (рис 2.10.1,б).

В отсутствие внешнего электрического поля сегнетоэлектрики, как правило, имеют доменную структуру. Типичная доменная структура для сегнетоэлектриков подобно­го типа показана на рис. 2.10.2.

Рис. 2.10.2. Схема расположения доменов в кристалле титаната ба­рия

тетрагональной модификации

Доменыпредставляют собой макроскопические области, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, которая возникает под влиянием внутренних процессов в диэлектрике. Направления электрических моментов у разных доменов различно.

Разбиение на домены уменьшает электростатическую энер­гию сегнетоэлектрика. В монокристалле относительная ориентация электрических моментов доменов определяется симметрией кристаллической решетки, на­пример, в тетрагональной модификации титаната бария (ВаТЮ₃) возможны шесть направлений спонтанной поляризованности: анти­параллельных или перпендикулярных друг другу. Соответственно для этого случая различают 180-градусные и 90-градусные доменные гра­ницы. Установлено, что линейные размеры доменов составляют от 10^-4 до 10^{-1 см.}

Энергетически наиболее выгодной явля­ется такая структура, при которой обеспечивается электрическая нейт­ральность доменных границ, т. е. проекция вектора поляризации на границу со стороны одного домена должна быть равна по длине и про­тивоположна по направлению проекции вектора поляризации со сторо­ны соседнего домена. По этой причине электрические моменты доме­нов ориентируются по принципу «голова» к «хвосту».

Внешнее электрическое поле изменяет направления электрических моментов доменов, что создает эффект очень сильной поляризации. Этим объясняются свойственные сегнетоэлектрикам сверхвысокие значения диэлектрической проницаемости (до со­тен тысяч).

Дата добавления: 2014-01-20