Работа 1 Изучение сегнетоэлектриков Теоретическое введение

§1. Основные свойства сегнетоэлектриков

Сегнетоэлектриками называют вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля.

В отсутствие внешнего электрического поля сегнетоэлектрики, как правило, имеют доменную структуру. Домены представляют собой макроскопические области, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией. Направление электрических моментов у разных доменов различно. Поэтому суммарная поляризованность образца в целом может быть равна нулю. Образец достаточно крупных размеров всегда разбивается на множество доменов, поскольку однодоменное состояние энергетически невыгодно. Разбиение на домены уменьшает электростатическую энергию сегнетоэлектрика. Установлено, что линейные размеры доменов составляют от 10^-3мм до 1мм.

Основные свойства сегнетоэлектриков:

1. Величина относительной диэлектрической проницаемости  для сегнетоэлектриков находится в пределах от 10² до 10⁴, что значительно больше, чем у обычных диэлектриков.

2. С егнетоэлектрики являются нелинейными элементами. Основная кривая поляризации сегнетоэлектрика представлена на рис.1 (связь D и E, Р и E нелинейная). Диэлектрическая проницаемость зависит от напряженности внешнего поля (рис. 1в).

3. С

   Рис. 1а Рис. 1б Рис. 1в

   егнетоэлектрики обладают гистерезисом при циклической переориентации внешнего поля. На рис.2 пунктиром изображена частная петля гистерезиса, а сплошной линией максимальная петля, когда в зависимости D(E) достигается насыщение. Петля гистерезиса имеет характерные точки: D_ост – остаточная поляризация, а E_c – коэрцетивная сила.

Рис. 2

3. Специфические свойства сегнетоэлектриков проявляются лишь в определенном диапазоне температур. В процессе нагревания выше некоторой температуры происходит распад доменной структуры и сегентоэлектрик переходит в обычное (параэлектрическое) состояние. Температура такого фазового перехода получила название сегнетоэлектрической точки Кюри (Т_к). При переходе через точку Кюри зависимость диэлектрической восприимчивости изменяется по закону Кюри – Вейсса .

§2. Механизм спонтанной поляризации сегнетоэлектриков

По типу химической связи и физическим свойствам сегнетоэлектрики принято подразделять на две группы: 1) ионные кристаллы; 2) дипольные кристаллы.

1. К ионным сегнетоэлектрикам относятся титанат бария (BaTiO₃), титанат свинца (PbTiO₃), ниобат калия (KNbO₃), танталат лития (LiTiO₃) и др.

П

Рис. 3

-

ри температуре выше точки Кюри (120⁰С) титанат бария имеет кубическую структуру типа перовскита (перовскит – минерал CaTiO₃), представленную на рис.3. При высокой температуре ион титана непрерывно перебрасывается от одного иона кислорода к другому, так что усредненное во времени его положение совпадает с центром элементарной ячейки. Такая ячейка не обладает электрическим моментом.

П

Рис. 4

ри температуре ниже точки Кюри энергии теплового движения недостаточно для переброса иона титана, и он локализуется вблизи одного из окружающих его кислородных ионов. На рис.4 изображена зависимость потенциальной энергии иона Ti⁴⁺ от положения между ионами кислорода. Если высота потенциального барьера , то иону титана энергетически более выгодно находиться в одной из позиций 1 или 2. Вследствие такого смещения ионTi⁴⁺, во – первых, возникает электрический момент элементарной ячейки и, во – вторых, ребра куба, вдоль которых произошло смещение удлиняются (их четыре), а четыре других сжимаются. Вследствие последнего кристалл BaTiO₃ приобретает тетрагональную симметрию. По числу ионов кислорода, окружающих ион титана (шесть) в тетрагональной фазе возможно шесть направлений поляризации.

Ниже 5⁰С титанат бария испытывает второе фазовое превращение. Получается новая сегнетоэлектрическая фаза, устойчивая между +5⁰С и –90⁰С и обладающая орторомбической симметрией. Элементарная ячейка может быть получена из исходной кубической ячейки, если ее растянуть вдоль одной диагонали грани куба и сжать вдоль другой диагонали той же грани. Растянутая диагональ становится полярной осью кристалла. Ион титана смещается при этом в направлении середины отрезка, соединяющего ионы кислорода.

П

Рис. 5

ри -90⁰С происходит третий фазовый переход. Кристалл становится ромбоэдрическим (куб, вытянутый вдоль пространственной диагонали). Полярная ось и смещение иона титана вдоль пространственной диагонали бывшего куба.

Указанные фазовые переходы сопровождаются изменениями  (рис.5)

На рис.5 приведены изменения (электрическое поле параллельное полярной тетрагональной оси) и (электрическое поле перпендикукулярное тетрагональной оси). Следует отметить, что при Т<120⁰С титанат бария анизотропен.

2. К группе дипольных сегнетоэлектриков относятся: сегнетова соль (NaKC₄H₄O_64H₂O) триглицинсульфат ((NH₂CH₂COOH)₃H₂SO₄); дигидрофосфат калия (KH₂PO₄); нитрит натрия (NaNO₂) и др. У кристаллов этой группы имеются готовые полярные группы атомов, способные занимать различные положения равновесия. Появление спонтанной поляризации у этих сегнетоэлектриков происходит за счет упорядочения расположения дипольных групп. Фазовые переходы, связанные со спонтанным упорядочением дипольных моментов, называют переходами типа «порядок – беспорядок».

Особенностью сегнетовой соли как представителя дипольных сегнетоэлектриков является наличие двух точек Кюри: нижней и верхней. Это иллюстрирует рис.6.

Сегнетоэлектрические свойства у сегнетовой соли проявляются в диапазоне температур –18⁰С  +24⁰С.

Рис. 6