Сегнетоэлектрики – це елементи, що володіють спонтанною електричною поляризацією (СЕП). Ініціаторами її звернення можуть бути додатка електричного діапазону E з відповідними параметрами і векторами напрямку. Такий процес називається переполяризацией. Його обов'язково супроводжує гістерезис.
Загальні риси
Сегнетоэлектрики – це компоненти, яким притаманні:
Колосальна діелектрична проникність. Потужний пьезомодуль. Петля. Застосування сегнетоелектриків здійснюється в багатьох галузях. Ось їх приклади:
Радіотехніка. Квантова електроніка. Вимірювальна техніка. Електрична акустика. Сегнетоэлектрики – це тверді тіла, які не є металами. Їх вивчення найбільш ефективно, коли їх стан монокристаллическое.
Яскраві специфіки
У даних елементів їх всього три:
Зворотна поляризація. Нелінійність. Аномальні характеристики. Багато сегнетоэлектрики перестають бути такими, коли знаходяться в температурних перехідних умовах. Такі параметри називають Т K. Речовини поводять себе аномально. Їх діелектрична проникність стрімко розвивається і досягає солідних показників.
Класифікація
Вона досить складна. Зазвичай ключовими її аспектами є конструкція елементів і контактує з нею технологія освіти СЕП при зміні фаз. Тут фігурує підрозділ на два види:
Мають зсув. У них при фазовому русі зсуваються іони. Порядок – хаотичність. При аналогічних умовах у них впорядковуються диполя початкової фази. У даних також видів є підвиди. Так, компоненти зі зміщенням діляться на дві категорії: перовскіти і псевдоильмениты.
У другого виду є поділ на три класи:
Дигидрофосфаты калію (KDR) і лужних металів (наприклад, KH 2 AsO 4 і KH 2 PO 4 ). Триглицинсульфаты (ТГС): (NH 2 CH 2 COOH 3 )xH 2 SO 4. Рідкокристалічні компоненти Перовскіти
Такі елементи існують у двох форматах:
Монокристалічному. Керамічному. У них присутня кисневий октаедр, в якому міститься іон Ti з валентністю 4-5. Коли відбувається параэлектрическая стадія, кристали набувають кубічну конструкцію. На вершині зосереджуються іони типу Ba і Cd. А їх кисневі аналоги позиціонуються в середині граней. Так формується октаедр. Коли тут змінюються іони титану, здійснюється СЕП. Подібні сегнетоэлектрики можуть створювати тверді суміші з утвореннями схожої структури. Наприклад, PbTiO 3 -PbZrO 3 . Завдяки чому виходить кераміка з відповідними характеристиками для таких приладів, як вариконды, пьезоприводы, позистор і т. д.
Псевдоильмениты
Вони відрізняються ромбоедричної конфігурацією. Їх яскрава специфіка – високі температурні показники Кюрі. Вони також являють собою кристали. Як правило, їх використовують в акустичних механізми на верхніх великих хвилях. Їх наявністю характеризуються наступні прилади: - резонатори; - фільтри з смугами; - акустооптические модулятори високих частот; - пироприемники. Також їх впроваджують електронні та оптичні нелінійні апарати.
KDR та ТГП
Сегнетоэлектрики першого означеного класу мають будову, що впорядковують протони у водневих контактах. СЕП виникає, коли всі протони розташуються по порядку. Елементи даної категорії задіють в нелінійних оптичних приладах і в електричній оптиці. У сегнетоелектриках другої категорії протони виконується аналогічно, тільки утворюються диполя близько глициновых молекул. Компоненти цієї групи використовуються обмежено. Зазвичай їх містять пироприемники.
Рідкокристалічні види
Вони характеризуються наявністю полярних молекул, розташованих по порядку. Тут яскраво проявляються основні специфіки сегнетоелектриків. На їх оптичні якості впливають температура і вектор зовнішнього електричного спектру. На основі цих факторів застосування сегнетоелектриків такого типу реалізується в оптичних датчиках, моніторах, транспарантах тощо
Відмінності двох класів
Сегнетоэлектрики – це утворення з іонами або диполями. Вони мають значні відмінності за своїми властивостями. Так, перші компоненти взагалі не розчиняються у воді, зате мають потужну механічну міцність. Вони легко утворюються у форматі полікристалів за умови дії по керамічної системі.
Другі легко розчиняються у воді і мають незначну міцність. Вони дозволяють утворювати монокристали солідних параметрів з водних складів.
Домени
Більшість характеристик сегнетоелектриків залежить від доменів. Так, параметр струму перемикання має тісний зв'язок з їх поведінкою. Вони є і в монокристалах, і в кераміці. Доменна структура сегнетоелектриків – це сектор макроскопічних габаритів. У ньому вектор довільної поляризації не має розбіжностей. А відмінності є лише від аналогічного вектора в сусідніх секторах. Домени поділяють стінки, які здатні зміщуватися у внутрішньому просторі монокристала. При цьому відбувається збільшення одних і зменшення інших доменів. Коли йде переполярізація, сектори розвиваються, завдяки зміщенню стінок або схожих процесів.
Електричні властивості сегнетоелектриків, що представляють собою монокристали, формуються на основі симетрії гратки кристалів. Найвигідніша енергетична структура характеризується тим, що доменні рубежі в ній електрично нейтральні. Таким чином, поляризаційний вектор проектується на кордон конкретного домену і дорівнює його довжині. При цьому він протилежний за напрямом ідентичного вектору з боку найближчого домену. Отже, електричні параметри доменів формуються на основі схеми голова–хвіст. Визначені лінійні значення доменів. Вони знаходяться в діапазоні 10 -4 -10 -1 див.
Поляризація
З-за зовнішнього електричного поля змінюється вектор електричних дій доменів. Так виникає потужна поляризація сегнетоелектриків. Внаслідок чого діелектрична проникність досягає величезних значень. Поляризація доменів пояснюється їх зародженням і розвитком із-за зсуву їх рубежів. Означена структура сегнетоелектриків стає причиною непрямої залежності їх індукції від ступеня напруги зовнішнього поля. Коли воно слабке, вид зв'язку між секторами лінійний. Виникає ділянку, на якій зміщуються доменні межі оборотного принципом.
В зоні потужних полів такий процес є незворотнім. При цьому зростають сектора, у яких вектор СЕП формує мінімальний кут з вектором поля. І при певній напруженості всі домени шикуються саме по полю. Утворюється технічне насичення. В таких умовах при зниженні напруги до нульового значення немає і аналогічного звернення індукції. Вона отримує залишковий показник D r . Якщо на неї буде впливати поле з протилежним зарядом, вона стрімко зменшиться і змінить свій вектор. Подальший розвиток напруженості знову приводить до технічного насичення. Таким чином, позначається залежність сегнетоэлектрика від переполяризации в абсолютно різноманітних спектрах. Паралельно з цим процесом йде гістерезис. Напруженість діапазону Е р, при якому індукція слід через нульове значення, – це коерцитивна сила.
Процес гістерезису
При ньому необоротно зміщуються доменні рубежі під впливом поля. Він означає наявність діелектричних втрат, обумовлених енергетичними витратами на розташування доменів. Тут утворюється гістерезисна петля.
Її площа відповідає енергії, що витрачається в сегнетоэлектрике за один цикл. Із-за втрат в ньому формується тангенс кута 01. При різних показниках амплітуди створюються гістерезисні петлі. Їх вершини в сукупності утворюють головну поляризаційну криву.
Вимірювальні операції
Діелектрична проникність сегнетоелектриків майже всіх класів відрізняється солідними значеннями навіть при показниках, віддалених від T K.
Її вимірювання відбувається так: на кристал наносяться два електрода. Визначається його ємність в змінному діапазоні. Вище показників Т K проникність має певну термальну залежність. Це можна обчислити, спираючись на закон Кюрі-Вейса. Тут працює наступна формула: e= 4pC /(Т-Тс). У неї є постійною Кюрі. Нижче перехідних значень вона стрімко падає. Буква «e» у формулі означає нелінійність, яка присутня тут у достатній вузькому спектрі з смещающимся напругою. З-за неї і гістерезису проникність і обсяг сегнетоэлектрика залежать від робочого режиму.
Види проникності
Матеріал в різних робочих умовах нелінійного компонента змінює свої якості. Для їх характеристики використовуються наступні види проникності:
Статистична (e ст). Для її обчислення застосовується головна поляризаційна крива: e ст = D /(e 0 Е) = 1 + Р /(e 0 Е) » Р /(e 0 Е). Реверсивна (e р). Позначає зміну поляризованності сегнетоэлектрика в змінному діапазоні при паралельному вплив стабільного поля. Ефективна (e еф). Обчислюється за актуальним показником струму I (мається на увазі несинусоїдальний тип), що йде у зв'язці з нелінійним компонентом. При цьому є активна напруга U і кутова частота w. Працює формула: e еф ~ З еф = I /(wU). Початкова. Вона визначається в надзвичайно слабких спектрах. Два основних типи піроелектриків
Такими вважаються сегнетоэлектрики і антисегнетоэлектрики. У них є сектору СЕП – домени. У першому виді один домен утворює навколо себе деполяризующую сферу. Коли створюється багато доменів, воно зменшується. Скорочується і енергія деполяризації, але збільшується енергія секторних стінок. Завершення процесу відбувається, коли ці показники стають на один порядок. Яке поведінка СЕП при знаходженні сегнетоелектриків в зовнішній сфері, було описано вище. Антисегнетоэлектрики – асиміляція мінімум двох підрешіток, вміщених один в одного. У кожній спрямованість дипольних факторів паралельна. А їх загальний дипольний показник – це 0. У слабких спектрах антисегнетоэлектрики відрізняються лінійним типом поляризації. Але по мірі збільшення сили поля вони можуть набувати кондиції сегнетоелектриків. Параметри поля розвиваються від 0 до показника Е 1. Поляризація зростає лінійно. На зворотному русі вона вже відходить від поля – виходить петля. Коли утворюється напруженість діапазону Е 2 , сегнетоелектрик перетворюється у свій антипод. При зміні вектора поля Е ситуація ідентична. Це означає симетричність кривої. Антисегнетоэлектрик, перевершуючи позначку Кюрі, набуває параэлектрические кондиції.
При нижньому підході до цієї точки проникність досягає певного максимуму. Вище неї він варіюється за формулою Кюрі-Вейсса. Однак абсолютний параметр проникності в призначеній точці поступається аналогічному показнику сегнетоелектриків. У багатьох випадках антисегнетоэлектрики мають кристалічної конструкцією, спорідненої їх антиподам. В окремих ситуаціях і при ідентичних з'єднаннях, але при різних температурах з'являються фази обох піроелектриків. Найвідоміші антисегнетоэлектрики - це NaNbO 3 NH 4 H 2 P0 4 і т. д. Їх кількість поступається числа поширених сегнетоелектриків.
