7.1.2. Континуальные среды

В качестве континуальных сред в функциональной диэлектрической электронике используются, как правило, активные диэлектрики. Под активными диэлектриками будем понимать диэлектрические материалы, в которых могут быть возбуждены динамические неоднородности и которые предназначены для процессов генерации, усиления, преобразования и хранения информационных сигналов.

Активные диэлектрики существенно отличаются от пассивных, которые применяются в основном в качестве электроизоляционных материалов.

Свойства активных диэлектриков зависят от воздействия на них определенных физи­ческих полей: механических, тепловых, электрических, магнитных. Результатом взаимо­действия структуры диэлектрика и полей является генерация динамических неоднородностей определенной физической природы. Активные диэлектрики, используемые в качестве континуальных сред в приборах и устройствах функциональной диэлектрической электроники, обладают широким набором свойств, определяемых типом воздействующих физических полей: механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических.

В результате анализа континуальных сред удалось систематизировать свойства диэлектриков в зависимости от воздействующих на них физических полей.

На Рисунок - 7.2 схематично представлены информационные поля, отражающие различные физические взаимодействия в активных диэлектриках. В соответствии с принятой системой классификации пронумеруем различные свойства активных диэлектриков в зависимости от типов информационных полей.

Область, ограниченная координатами 1.1—2.1, 1.3—2.1, 1.1—2.3, 1.3—2.3 представляет собой термоупругие свойства диэлектриков.

Рисунок - 7.2. Системный анализ свойств активных диэлектриков

Пьезоэлектрики располагаются в области, ограниченной координатами 1.1—3.1, 1.3—3.1, 1.1—3.5, 1.3—3.5. Их основным свойством является наличие поляризации, направление и уровень которых могут быть изменены при внешних воздействиях. Различают прямой пьезоэлектрический эффект, заключающийся в поляризованности Р диэлектрика в зави­симости от механического напряжения а, описываемый соотношением

P = d,

где d— пьезомодуль.

В обратном пьезоэлектрическом эффекте деформация % линейно зависит от поляризован­ности Р в соответствии с соотношением

,

где

,

здесь  – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, 0— константа. Заметим, что пьезоэлектрические материалы анизотропны. Их пьезоэлектрические, диэлектрические и упругие свойства описываются набором компонент пьезомодулей dij упругих констант Sjj, диэлектрических проницаемостей ij по разным направлениям.

Каждая ячейка описываемой информационной области обладает рядом замечательных свойств и определяет тип пьезоэлектриков. Сегнетоэластики занимают ячейку с коорди­натами 1.2—3.2 и описываются зависимостью Р = Р(х). Пьезополупроводники распола­гаются в ячейках с координатами 1.2—3.5 и, как правило, представляют собой пленки CdS, ZnS, ZnO с низким значением  (< 10) и с выраженной зависимостью  = (х).

Пироэлектрикы представляют собой класс активных диэлектриков, в которых происходит поляризация при однородном по объему изменению температуры. Этот класс располага­ется в информационной области с координатами 2.1—3.1; 2.3—3.1; 2.1—3.5; 2.3—3.5. Спонтанная или остаточная поляризация Р зависит от температуры Р - Р(Т), и для коли­чественного описания вводят пирокоэффгщиент р, определяемый выражением

.

Все пироэлектрики обладают обратным электрокалорическим эффектом, потому что их температура изменяется при поляризации.

Особый интерес для функциональной электроники представляют собой сегнетоэлектрические континуальные среды, имеющие доменную структуру. Каждый домен обладает спонтанной поляризацией, уровень и направление которых могут быть изменены внеш­ними полями, например электрическим. В отличие от пироэлектриков, у которых направ­ление вектора поляризации Р строго фиксировано, у сегнетоэлектриков суммарная поля­ризация зависит от поляризации отдельных доменов. На Рисунок - 3.2 сегнетоэлектрики зани­мают область с координатами 3.1—3.2.

В зависимости от вида поляризации различают ионные, дипольные и несобственные сег­нетоэлектрики. В ионных сегнетоэлектриках ячейка имеет вид куба типа АВ03, по вер­шинам которого расположены ионы типа A(Ва₂+, РЬ₂+, К₂+...), в центре ионы типа В(Тi₄+, Nb₄+), а в центрах граней ионы кислорода О2-. Если ионы типа В находятся в центре эле­ментарной ячейки (Рисунок - 7.3, а), то центры тяжести положительных и отрицательных ионов совпадают и общий дипольный момент равен нулю. Смещение иона В(Ti4+, напри-

мер) из центра кислородного октаэдра приводит к разбалансировке и возникновению ди-польного момента Р, направленного в сторону смещения (Рисунок - 7.3, б).

Спонтанная поляризация в сегнетоэлектриках такого типа является следствием упорядо­ченного смещения ионов и представляет собой фазовый переход типа смещения.

К ионным сегнетоэлектрикам относятся структуры типа перовскита (СаТiO₃), титанат бария (ВаТiO₃), титанат свинца (РЬТiO₃), ниобат калия (KNbO₃) и т. п.

В элементарной ячейке дипольных сегнетоэлектриков содержатся атомы с двумя положе­ниями равновесия, электрическая поляризация которой и определяется взаимным поло­жением атомов. На Рисунок - 7.3, в представлено взаимное расположение ионов при положи­тельном и отрицательном направлениях дипольного момента (Рисунок - 3.3, г). Фазовый пере­ход в дипольных сегнетоэлектриках, происходящий в точке Кюри, называется переходом типа "порядок – беспорядок"

.

Рисунок - 7.3. Элементарные ячейки сегнетоэлектриков: ионный тип в неполяризованном (а) и поляризованном (б) состояниях; дипольный тип при положительном (в) и отрицательном (г) дипольных моментах

К дипольным сегнетоэлектрикам относятся сегнетова соль (NaKC₄H₄O₆₄H₂O), тригли-цинсульфат ТГС (NH₂CH₂COOH)3H₂S0₄, нитрид натрия (NaNO₂) и т. п.

К особой группе относятся несобственные сегнетоэлектрики, в которых спонтанная поля­ризация обусловлена, например, деформацией кристаллической решетки при фазовом переходе. К этому типу относятся молибдат гадолиния [Cd₂(Mo0₄)₃], лангбейниты, [Tl₂Cd₂(SO₄)]₃, фторбериллат аммония [(NH₄)₂BeF] и т. п.

Кристаллы, в соседних ячейках которых одноименные ионы смещены в противополож­ных направлениях, называются антисегиетоэлектраками. Спонтанная поляризованность антисегнетоэлектриков равна нулю. При наложении сильного электрического поля антисигнетоэлектрик может переходить в сегнетоэлектрик с параллельной ориентацией дипо­лей. Отличительной особенностью антисигнетоэлектриков является наличие двойных петель диэлектрического гистерезиса.

К антисегнетоэлектрикам относятся кристаллы цирконата свинца (PbZn0₃), ниобата нат­рия (NaNbO₃), гафната свинца (РbНfО₃), дигидрофосфата аммония ADP (NH₄H₂PO₄) и т. п. Сегнетоэлектрики обладают довольно большим удельным сопротивлением ( > 109 Омм), Однако существуют такие сегнетоэлектрики, у которых значение  соответствует полу­проводникам. Можно искусственно снизить значение , например, ионным легированием и получить новый тип сегнетоэлектрика— сегнетополупроводинк. К ним относятся ве­щества BiFeO₃, PbTiO₃ и др. Эти вещества занимают ячейку с координатами 3.2—3.5 (Рисунок - 7.2).

Весьма перспективными являются полимерные сегнетоэлектрические пленки, нанесенные на поверхность кремния. Пленки наносятся методом литья из раствора винилиденфторида CH2-CF2 и трифторэтилена CH2-F2-CHF-CF2 в ацетоне с последующим осаждением при температуре + 20...22 °С. Толщина пленок лежит в пределах от 6 до 20 мкм.

На пересечении информационных полей электрических и магнитных свойств диэлектриков (см. Рисунок - 7.2) располагаются сегнетомагнитные кристаллы. Отличительной особен­ностью структуры сегнетоэлектриков является сосуществующие магнитная и электрическая взаимопроникающие решетки. Они образованы частицами, несущими электрические и магнитные дипольные моменты.

В диэлектриках этого класса обнаружен магнитоэлектрический эффект. Его сущность состоит в том, что в веществах определенной симметрии при наложении электрического поля появляется намагниченность, пропорциональная полю, и при приложении магнитно­го поля появляется электрическая составляющая, пропорциональная полю.

Сегнетомагнетики перспективны для устройств функциональной электроники второго поколения, где возможна интеграция эффектов и явлений за счет присутствия в среде спонтанной поляризации Рs и спонтанной намагниченности Ms. К сегнетомагнетикам прежде всего относятся перовскитные соединения типа ферровольфрамат [Pb(Fe2/3W1/3)O₃] и феррониобат свинца [Pb(Fe1/2Nb1/2)O₃], а также феррит висмута (BiFeO₃), ренийсодержащие перовскиты (Sr₂CoRe0₆, SrNiReO₆), сегнетомагнитные борациды (Mg₃B₇O₃Cl) и т. п.

Континуальные среды, соответствующие ячейкам информационного поля с координатами 1.1—4.1, 1.3—4.1, 1.3—4.3, 1.1—4.3 (см. Рисунок - 3.2), обладают магнитострикционными свойствами, а расположенные в информационном поле 2.1—4.1, 2.3—4.1, 2.1—4.3, 1.1- 4.3 — магнитокалорическими.

Менее изучены свойства континуальных сред на пересечении оптических взаимодействий с механическими, тепловыми, электрическими и магнитными.

В ячейках с координатами 1.2—5.1 и 1.2—5.2 среды обладают упругооптическим эф­фектом, с координатами 2.1—5.1 и 2.1—5.2 —термооптическим эффектом (см. Рисунок - 3.2).

Свойства сред, расположенных в ячейке 3.1—5.1, описываются эффектом Поккельса — n=f(E) и эффектом Керра – n=f(E2). Среды, обладающие фоторефрактивным эффек­том n=f(I), расположены в ячейках с координатами 5.1—5.3. Проведенный системный анализ диэлектрических континуальных сред позволяет более эффективно осуществлять их выбор для перспективных процессоров и запоминающих устройств.