6.3 Сегнетоэлектрики

Сегнетоэлектрик – полярный диэлектрик, в котором спонтанная поляризация может изменять свое направление под воздействием электрического поля.

Собственной поляризацией, кроме сегнетоэлектриков, обладают также электреты и пироэлектрики. Однако в отличие от неравновесной остаточной поляризации электретов, спонтанная поляризация сегнетоэлектриков характеризует их стабильное (термодинамически устойчивое) состояние. Поэтому остаточная поляризация бесследно исчезает при нагревании или облучении электрета, в то время как спонтанная поляризация сегнетоэлектриков только изменяется при внешних воздействиях на сегнетоэлектрик. От пироэлектриков сегнетоэлектрики отличает их способность к переполяризации – переориентации спонтанной поляризации под действием электрического поля. При этом наблюдается диэлектрический гистерезис.

Особенностью сегнетоэлектриков является самопроизвольное разбиение их на множество доменов. Внутри каждого домена спонтанная поляризация направлена одинаковым образом, но в различных доменах направление различается. Электрическое поле заставляет сегнетоэлектрические домены, ориентированные хаотично, приобретать одинаковую ориентацию, при этом с ростом величины напряженности электрического поля поляризация достигает насыщения. Состояние с ориентированными доменами сохраняется и при последующем снижении напряженности электрического поля до нуля. Как видно на рисунке 6.1, поляризация в отсутствие внешнего электрического поля стремится сохранять свое установившееся направление.

Рисунок 6.1 – Зависимость поляризованности сегнетоэлектриков от напряженности электрического поля.

Если же изменить полярность приложенного извне электрического поля и увеличивать его в направлении, противоположном спонтанной поляризации , то электрическое поле , не изменяя абсолютной величины спонтанной поляризации, изменяет направление спонтанной поляризации. Для такого изменения направления спонтанной поляризации (переполяризации сегнетоэлектрика) к сегнетоэлектрику необходимо приложить электрическое поле определенной величины (критическое поле ). Наличие диэлектрического гистерезиса является необходимым и достаточным свойством сегнетоэлектрического состояния. Повышение температуры выше критической приводит к исчезновению петли гистерезиса и сегнетоэлектрического состояния. Таким образом, сегнетоэлектрики это особенные, нелинейные пироэлектрики.

Активными диэлектриками, прежде всего, являются сегнетоэлектрики или родственные им диэлектрики. Именно в сегнетоэлектриках все преобразовательные характеристики выражены наиболее сильно. Например, рекордно высокие значения пьезоэлектрических модулей наблюдаются в кристаллах сегнетовой соли и в сегнетоэлектрике сульфоиоде сурьмы ( ). Наиболее высокие значения пироэлектрических коэффициентов также имеют место в сегнетоэлектрических кристаллах.

6.4 Элементы типовой модели функциональной электроники

При интеграции на одном кристалле не только элементов, но и физических явлений и эффектов увеличиваются функциональные возможности приборов и устройств интегральной электроники. При этом используются уже не только схемотехнические решения для обработки и хранения информации, но и физические носители информационного сигнала – динамические неоднородности различной физической природы. Это направление в развитии электроники называют функциональной электроникой.

Функциональная электроника представляет собой область интегральной электроники, в которой изучается возникновение и взаимодействие динамических неоднородностей в континуальных средах в совокупности с физическими полями, а также создаются приборы и устройства на основе динамических неоднородностей для целей обработки, генерации и хранения информации. Динамическая неоднородность представляет собой локальный объем на поверхности или внутри среды с отличными от ее окружения свойствами, которая не имеет внутри себя статических неоднородностей и генерируется в результате определенных физико-химических процессов. Динамическая неоднородность может быть локализована или перемещаться по рабочему объему континуальной среды в результате взаимодействия с различными физическими полями или динамическими неоднородностями такой же или другой физической природы. Известно большое количество динамических неоднородностей различной физической природы – ансамбли заряженных частиц и квазичастиц (зарядовые пакеты, флуксоны и т.п.), домены (сегнетоэлектрические домены, домены Ганна, цилиндрические магнитные домены и т.п.), динамические неоднородности волновой природы (поверхностные акустические волны – ПАВ, магнитные статические волны – МСВ, волны пространственного заряда – ВПЗ, волны зарядовой плотности – ВЗП и так далее).

Динамические неоднородности различного вида и различной физической природы - это первый элемент типовой модели функциональной электроники. Все виды динамических неоднородностей генерируют, обрабатывают или хранят информацию в континуальных средах. Континуальная среда является вторым элементом типовой модели функциональной электроники.

Континуальными средами функциональной акустоэлектроники являются твердотельные материалы: пьезоэлектрики, пьезополупроводники, сложные слоистые среды. Выбор континуальных сред определяется природой используемых динамических неоднородностей. Основные требования к этим материалам сводятся к минимизации уровня потерь для распространения динамических неоднородностей акустической или иной природы, а также к максимальной температурной стабильности.

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

Континуальными средами функциональной полупроводниковой электроники являются элементарные полупроводники и полупроводниковые химические соединения.

Континуальными средами функциональной магнитоэлектроники являются монокристаллические пленки феррит-гранатов, эпитаксиальные пленки феррит-шпинелей. В настоящее время магнитоодноосные пленки ферритов-гранатов, выращенных на намагниченных подложках галлий-гадолиниевого граната, не испытывают заметной конкуренции со стороны других материалов.

Континуальными средами в функциональной оптоэлектронике могут служить как пассивные среды, так и активные. Под активной средой понимается вещество, в котором распространение частиц (атомов, молекул, ионов) не является равновесным по энергетическим состояниям, а также среда, в которой меняется плоскость поляризации световой волны. Пассивные оптические среды представляют собой каналы передачи оптического информационного сигнала. Это каналы высокой добротности и оптического качества, например, оптические стекла, кварц. Для генерации динамических неоднородностей часто используют эффективно люминесцирующие соединения типов А^IIIB^V, А^IIB^IV, твердые растворы на их основе: GaAs, InGa, GaP, GaAlAs, GaAsP, ZnS и так далее.

Передача информации в молекулярной электронике осуществляется ансамблями электронов и солитонов.

Третьим элементом является генератор динамических неоднородностей, расположенный в континуальной среде и предназначенный для ввода динамических неоднородностей в канал распространения информационного сигнала.

Устройство управления динамическими неоднородностями в тракте переноса информационного сигнала или в области его хранения является четвертым элементом.

Ввод или считывание информации осуществляется с помощью детектора. Детектор преобразовывает информационный массив, созданный динамическими неоднородностями, в массив двоичной информации. Детектор является пятым элементом типовой модели функциональной электроники.