14. Сегнетоэлектрики

Сегнетоэлектриками называют вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля. Сегнетоэлектрики имеют доменную структуру. Направление электрических моментов у разных доменов различно, поэтому суммарная поляризованность материала может быть равна нулю.

Сегнетоэлектрики – это одна из разновидностей материалов, обладающих одновременно и характеристиками диэлектриков и материалов, в которых может возникать спонтанная поляризация (явление, связанное со смещением в материале связанных зарядов) при отсутствии внешнего электрического поля. Правда, последнее характерно только в определенном интервале температур.

Внешнее электрическое поле изменяет направления электрических моментов доменов, что создает эффект очень сильной поляризации. Доменная поляризация связана с процессами зарождения и роста новых доменов за счет смещения доменных границ, которые в итоге вызывают переориентацию вектора спонтанной поляризованности в направлении внешнего электрического поля. Следствием этого является нелинейная зависимость электрической индукции от напряженности поля (рис.). При изменении направления поля кривая описывает гистерезисную петлю. Точки В и С определяют состояние технического насыщения, Е_с коэрцитивная сила,D_r остаточная электрическая индукция. Площадь гистерезисной петли пропорциональна энергии, рассеиваемой в диэлектрике за один период. Совокупность вершин гистерезисных петель, полученных при различных значениях амплитуды переменного поля, образует основную кривую поляризации сегнетоэлектрика.

Специфичные свойства сегнетоэлектриков проявляются лишь в определенном диапазоне температур. В процессе нагревания выше некоторой температуры происходит распад доменной структуры, и сегнетоэлектрик переходит в параэлектрическое состояние. Температура такого фазового перехода получила название сегнетоэлектрической точки Кюри (Т_к).

Температура Кюри является температурой фазового перехода, ниже этой температуры сегнетоэлектрик обладает доменной структурой и характерными сегнетоэлектрическими свойствами; выше этой температуры происходит распад доменной структуры и сегнетоэлектрик переходит в параэлектрическое состояние. Следствием доменного строения сегнетоэлектриков являются нелинейная зависимость их поляризованности или электрической индукции от напряженности электрического поля (см. рисунок  7.8), которая носит название диэлектрической петли гистерезиса, и резко выраженная температурная зависимость диэлектрической проницаемости, в которой максимум диэлектрической проницаемости достигается при температуре, соответствующей точке Кюри.

По типу химической связи и физическим свойствам все сегнетоэлектрики подразделяют на 2 вида: ионные и дипольные кристаллы. У первой группы характерным структурным элементом является кислородный октаэдр. К ним относятся: титанат бария (BaTiO₃), титанат свинца (PbTiO₃), ниобат калия (KNbO₃), ниобат лития (LiNbO₃), танталат лития (LiTaO₃), йодат калия(KJO₃), барий-натриевый ниобат или сокращенно БАНАН (Ba₂NaNb₅O₁₅) и др.

У дипольных сегнетоэлектриков имеются готовые полярные группы атомов, способные занимать различные положения равновесия. К ним относятся: сегнетова соль (NaKC₄H₄O₆4H₂O), триглицинсульфат ((NH₂CH₂COOH)₃H₂SO₄), дигидрофосфат натрия (KH₂PO₄), нитрат натрия (NaNO₂) и др.

Все соединения первой группы нерастворимы в воде, обладают значительной механической прочностью, легко получаются по керамической технологии. Дипольные соединения, наоборот, обладают малой механической прочностью и растворимостью в воде, благодаря чему можно вырастить крупные монокристаллы этих соединений из водных растворов.

Сегнетоэлектрики находят применение: для изготовления малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью; для изготовления материалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и других управляемых устройств; в вычислительной технике — для ячеек памяти; для модуляции и преобразования лазерного излучения; в пьезо- и пироэлектрических преобразователях.

Не смотря на то, что спонтанная поляризация в сегнетоэлектриках возникает при отсутствии внешнего воздействия, ею легко управлять именно внешними факторами – изменением окружающей температуры, внешнего поля и приложенного напряжения.