16. Диэлектрические соединения: пьезоэлектрики. Структура и свойства кварца

Пьезоэлектрики. К ним относят диэлект­рики, в которых электрическая поляризация возникает под действием приложенных меха­нических упругих напряжений (так называе­мый прямой пьезоэффект), а также диэлек­трики, в которых под действием электричес­кого поля возникает упругая деформация (так называемый обратный пьезоэффект).

В силу этого пьезоэлектрики составляют основу электромеханических преобразова­телей разного назначения:

- преобразователи механических колеба­ний среды, в том числе ультразвуковых, в электрические сигналы (прямой пьезоэффект);

- преобразователи электрических сигна­лов в механические перемещения и упругие волны, например в ультразвуковые колеба­ния в пьезоэлектрических преобразователях (обратный пьезоэффект), что составляет ос­нову акустоэлектроники — бурно развиваю­щегося направления техники преобразования и обработки радиосигналов

Пьезоэффект наблюдается только в кри­сталлах, отвечающих определенным требова­ниям симметрии: он возможен только в крис­таллах, не имеющих центра симметрии

Характерным и практически очень важ­ным пьезоэлектриком, используемым, в част­ности, для пьезорезонаторов и в акустоэлектронике, является кварц — a-SiO₂. В a-кварце отсутствует центр симметрии. Каждый атом (ион Si⁴⁺) кремния размещен внутри тетраэдра, в вершинах ко­торого расположены атомы кис­лорода (ионы О²-), т. е. ион Si⁴⁺ ок­ружен четырьмя ионами О²-, а каждый ион кислорода О²- имеет в качестве ближайших соседей два иона кремния Si⁴⁺. На рис показано расположение ионов кремния и кислорода: ионы крем­ния расположены в плоскости рисунка

Симметрия кристалла в неде-формированном состоянии опреде­ляется набором операций симмет­рии, после реализации которых структура совмещается с исход­ным состоянием. В структуре квар­ца SiO₂ такими операциями явля­ются поворот вокруг оси Z₁ (т. е. вокруг направления [0001]) на 120° и последующее перемещение (трансляция) вдоль этого направ­ления на 1/3 периода решетки. Макроскопическая поляризация при этом отсутствует.

После деформации сжатием вдоль оси X положительный ион Si⁴⁺ и отрицательный O²-перемещаются в глубь ячейки (рис. 6.4). Винтовая ось Z₁ исчезает. В структуре остается одно геометрическое по­лярное направление, совпадающее с направ­лением приложенного поля механических на­пряжений. На плоскостях А к В возникают электрические заряды, формирующие диполь. При растяжении образуются заряды и соот­ветственно диполи противоположного знака. Отсюда следует, что, во-пер­вых, пьезоэффект анизотропен и, во-вторых, на пьезоэлектрические свойства влияет пере­мещение носителей заряда в пределах эле­ментарной ячейки.

17. Диэлектрические соединения: сегнетоэлектрики. Температура Кюри.

Это диэлектрические фазы, обладающие в определенном интерва­ле температур спонтанной (самопроизвольной) электрической поляризацией. Влияние темпе­ратуры и внешнего электрического поля на поляризуемость сегнетоэлектриков аналогично влиянию температуры и внешнего магнитного поля на намагниченность ферромагнетиков. Аналогичный физический смысл имеют понятия о доменах и их границах, тем­пературе Кюри Т_с, петле гистерезиса. Как правило, неполярная фаза является более высокотемпературной, чем полярная.

Фазовые переходы в сегнетоэлектриках (полярное состояние ^± неполярное состоя­ние) можно разделить на два больших клас­са: фазовые переходы типа смещения (сдви­гового характера) и фазовые переходы типа беспорядок—порядок.

В первом случае выше Т_с в кристалле существует неустойчивость одного из реше­точных колебаний (так называемая мягкая мода). С понижением температуры частота этой моды понижается и при Т_с стремится к нулю. В результате в точке фазового перехода про­исходит самопроизвольное смещение подрешеток кристалла, изменяющее его симмет­рию и восстанавливающее динамическую ус­тойчивость. Это смещение приводит к спонтан­ной поляризованности Р_с. Типичным примером сегнетоэлектриков, в которых реализуется фа­зовый переход типа смещения, являются ве­щества со структурой перовскита — титанат бария и его аналоги

Переход типа беспорядок—порядок свя­зан с тем, что структурные элементы крис­талла (молекулы, ионы, радикалы) могут на- ходиться в нескольких равновесных положе­ниях, каждое из которых характерно своим дипольным моментом.

При высоких температурах энергия теп­лового движения превышает энергию диполь-дипольного взаимодействия. Диполи направ­лены неупорядоченно, суммарная поляриза­ция равна нулю (Р_с = 0).

С понижением температуры в области фазовых переходов возрастает роль диполь-дипольного взаимодействия, происходит спон­танное упорядочение полярных структурных элементов, возникает спонтанная поляризация (Р_с > 0). Примером сегнетоэлектриков типа беспорядок—порядок являются сегнетова соль¹ и ее аналоги (табл. 6.3). Сегнетова соль КЫаС₄Н₄0₆ была первым материалом, у кото­рого была обнаружена способность длитель-

Точка Кюри, или температура Кюри, — температура фазового перехода II рода, связанного со скачкообразным изменением свойств симметрии вещества (например, магнитной — в ферромагнетиках, электрической — в сегнетоэлектриках, кристаллохимической — в упорядоченных сплавах) При температуре T ниже точки Кюри Q ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью и определённой магнитно-кристаллической симметрией. В точке Кюри (T = Q) интенсивность теплового движения атомов ферромагнетика оказывается достаточной для разрушения его самопроизвольной намагниченности («магнитного порядка») и изменения симметрии, в результате ферромагнетик становится парамагнетиком