4.11 Активные диэлектрики

Активные диэлектрики отличаются от обычных тем, что их электрическими свойствами можно управлять в широком диапазоне, воздействуя на них электрическим, магнитным тепловым полями и т.д. Так, поляризация может создаваться не только электрическим полем, но и при деформации (пьезоэлектрический эффект), намагничиванием (сегнетомагнитный эффект), изменением температуры (пироэлектрический эффект). Возможны также и обратные явления.

Активные диэлектрики используют для генерации, усиления, модуляции и преобразования электрических сигналов.

К активным диэлектрикам относят сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты, диэлектрики для оптической генерации, электрооптические материалы.

4.11.1 Сегнетоэлектрики

Сегнетоэлектриками называют материалы, которые обладают спонтанной (самопроизвольной) поляризацией в определенном интервале температур.

Спонтанная поляризация – это поляризация, которая возникает в диэлектрике под влиянием внутренних процессов, без внешних воздействий. Это явление связано с особенностями сегнетоэлектриков.

Объем сегнетоэлектрика разделен на домены, которые представляют собой макроскопические области с различным направлением векторов спонтанной поляризованности Р_с. В отсутствие внешнего электрического поля суммарная поляризованность образца в целом равна нулю. При воздействии внешнего электрического поля векторы спонтанной поляризации диполей ориентируются в основном в направлении поля, что вызывает эффект очень сильной поляризации, следствием чего является сверхвысокое значение диэлектрической проницаемости ε.

Рисунок 4.3 – Петля диэлектрического гистерезиса идеального сегнетодиэлектрика:

Р – поляризованность сегнетоэлектрика; Е – напряженность внешнего электрического поля; Р_нас – поляризованность начала участка насыщения; Е_н – напряженность начала участка насыщения.

Зависимость поляризованности Р от напряженности внешнего электрического поля Е в сегнетоэлектриках нелинейна и при циклическом изменении напряженности поля имеет вид характерной замкнутой кривой, которая называется петлей гистерезиса (рисунок 4.3).

При напряженности поля Е = 0 поляризованность Р образца, состоящего из одного домена, равна +Р_ост или –Р_ост. С увеличением напряженности поля, приложенного по направлению Р_ост, поляризованность Р растет линейно благодаря обычным механизмам поляризации (электронному, ионному, дипольному). Если прикладывать электрическое поле противоположного знака, то при некотором значении напряженности поля Е_с происходит переполяризация, т.е. изменение направления вектора Р_ост на противоположное. Напряженность поля, при которой происходит изменение направления спонтанной поляризованности, называют коэрцитивной силой Е_с.

Сегнетоэлектрическая точка Кюри – температура, при которой возникает (при охлаждении) или исчезает (при нагревании) спонтанная поляризация. Диэлектрическая проницаемость ε вещества при температуре точки Кюри Т_к максимальна. После достижения точки Кюри происходит фазовый переход из сегнетоэлектрического состояния в параэлектрическое, когда Р_ост = 0.

Диэлектрическая проницаемость ε и тангенс угла диэлектрических потерь tg δ сильно зависят от частоты, особенно в области высоких частот.

Рассмотренные особенности поляризации были впервые открыты у кристалла сегнетовой соли, а диэлектрики с такими свойствами получили название сегнетоэлектриков. По характеру химической связи и виду поляризации сегнетоэлектрики подразделяются на ионные и дипольные.

У ионных сегнетоэлектриков спонтанная поляризация является следствием упорядоченного смещения ионов из положения равновесия. К ионным сегнетоэлектрикам относятся многие соединения со структурой типа перовскита (минерал CaTiO₃), титанат бария BaTiO₃ (Т_к = 120°С), титанат свинца PbTiO₃ (Т_к = 490°С), ниобат калия KNbO₃ (Т_к = 435°С) и др.

В элементарной ячейке дипольных сегнетоэлектриков содержатся атомы или группы атомов с двумя положениями равновесия. Ячейка обладает электрическим моментом m. В результате хаотического теплового движения атомы перемещаются из одного положения в другое, вызывая переориентацию момента m структурной единицы. К дипольным сегнетоэлектрикам относятся сегнетова соль NaKC₄H₄O₆ ∙ 4H₂O (Т_к = 24°С), нитрид натрия NaNO₂ (Т_к = 160°С).

Из сегнетоэлектриков в различных областях радиоэлектроники находят применение сегнетова соль и сегнетокерамические материалы.

Сегнетова соль обладает следующими свойствами и недостатками:

Зависимость от влажности окружающее среды; при нормальной температуре и влажности воздуха более 85% начинает поглощать пары воды и медленно растворяется; при влажности менее 35% происходит обратный процесс – дегидратация (обезвоживание), т.е. выделение входящей в структуру кристаллизационной воды;

низкая нагревостойкость; при повышенной температуре сегнетова соль распадается на тартрат натрия, тартрат калия и их насыщенные растворы с выделением воды;

анизотропия, позволяющая вырезать образцы только в определенной плоскости.

Эти недостатки ограничивают применение сегнетовой соли в технике.

Сегнетокерамические материалы обладают различными свойствами, на которые оказывают влияние химический состав и концентрация примесей. Из сегнетокерамических материалов широко применяется конденсаторная сегнетокерамика, нелинейная керамика, терморезистивная сегнетокерамика и сегнетоэлектрики с прямоугольной петлей гистерезиса.

К конденсаторной сегнетокерамике относят материалы на основе титаната бария BaTiO₃.

Титанат бария обладает следующими свойствами:

высокие значения диэлектрической проницаемости ε и резко выраженная ее зависимость от температуры Т и напряженности электрического поля Е;

нелинейный характер зависимости диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля, вследствие чего имеет место нелинейная зависимость емкости конденсаторов от напряженности электрического поля;

возможность подбирать составы с очень высокими значениями диэлектрической проницаемости и с различной ее зависимостью от температуры и напряженности электрического поля; такими составами являются твердые растворы титаната бария в других соединениях, например в титанате стронция SrTiO₃, титанате кальция CaTiO₃, станнате бария BaSnO₃ и др.

Конденсаторная сегнетокерамика применяется для изготовления нелинейных конденсаторов, которые используются для диэлектрических умножителей частоты, в усилителях напряжения и мощности, стабилизаторах.

Нелинейная сегнетокерамика обладает более резко выраженной нелинейной зависимостью диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля, чем у титаната бария.

Нелинейные диэлектрические конденсаторы, емкость которых зависит от приложенного напряжения, называют варикондами (слово «вариконд» произошло от слов «вариация» и «конденсатор»).

Конструктивно вариконды выполняют в виде дисковых или пленочных плоских керамических конденсаторов.

Уменьшение толщины слоя керамики до нескольких десятков микрон позволяет получить пленочные вариконды, которые работают при весьма низких напряжениях.

Терморезистивную сегнетокерамику по характеру электропроводности (удельное электрическое сопротивление ρ<10⁹ Ом ∙ м) можно отнести к полупроводникам, однако благодаря спонтанной поляризации и фазовому переходу в точке Кюри терморезистивная сегнетокерамика обладает рядом свойств, которые не присущи полупроводникам. Например, позисторный эффект, который заключается в резком возрастании удельного электрического сопротивления ρ при повышении температуры вблизи точки Кюри. Он характерен для твердых растворов титаната бария – стронция, титанстанната бария и др. Из твердых растворов BaTiO₃ – SrTiO₃, BaTiO₃ – PbTiO₃, SrTiO₃ - PbTiO₃ изготавливают сопротивления терморезисторы-позисторы со скачкообразным ростом сопротивления, а для плавного увеличения удельного электрического сопротивления ρ используют твердые растворы BaTiO₃ – BaSnO₃, BaTiO₃ – BaZrO₃ и др.

Позисторы обладают номинальным сопротивлением от 10 Ом до 10 кОм; наибольшим температурным коэффициентом электрического сопротивления ТКρ = 0,1÷0,2 К^-1; температурным интервалом с наибольшим ТКρ, примерно 30°С.

Позисторы используют для измерения и регулирования температуры, термокомпенсации радиосхем, в малогабаритных термостатах, стабилизаторах тока и др.

Сегнетоэлектрики с прямоугольной петлей гистерезиса применяют в запоминающих устройствах (ЗУ) электронно-вычислительных машин (ЭВМ). В отсутствие внешнего электрического поля поляризованный сегнетоэлектрик имеет два стабильных состояния с поляризованностями +Р_ост и –Р_ост (см рисунок 4.3). Одно из этих состояний в запоминающей ячейке ЭВМ соответствует хранению единицы, а второе – нуля. Меняя напряжение записи, сегнетоэлектрик можно переводить из одного состояния в другое. Основным требованием к материалам ЗУ является прямоугольность петли гистерезиса, которую определяют по формуле

К_пр = Р_ост ⁄ Р_нас, (4.19)

где Р_нас – значение поляризованности в начале участка насыщения петли гистерезиса.

Коэффициент К_пр < 1 и для материалов ЗУ К_пр = 0,85÷0,95. Материалы для ЗУ должны иметь:

малую коэрцитивную силу Е_с, т.е. такую напряженность электрического поля, которая необходима, чтобы изменить направление спонтанной поляризованности;

большую остаточную поляризованность;

высокое быстродействие, которое определяется временем переключения (переполяризации) сегнетоэлектрика из одного состояния в другое, например из +Р_ОСТ в –Р_ОСТ.

Для лучших сегнетокерамических материалов быстродействие составляет десятки наносекунд.

Для изготовления ЗУ наиболее освоена керамика на основе твердых растворов цирконата – титаната свинца.