1 Общие сведения о сегнетоэлектриках
Сегнетоэлектриками называют особый вид диэлектриков, отличающийся нелинейной зависимостью поляризации от напряженности поля, что является следствием наличия в них электрических доменов. При рассмотрении эффекта Ганна применялся термин «электростатические домены», под которыми подразумевают области сильного электрического поля. Но электростатические домены отличаются от электрических доменов, характерных для сегнетоэлектриков. В последнем случае домены — это области самопроизвольной (спонтанной) поляризации (порядка 10-2—10-4 см), аналогичные магнитным доменам в ферромагнетиках.
Свое название сегнетоэлектрики получили от названия минерала — сегнетовой соли (NaKC4H4O64H2O), для которой указанные свойства были обнаружены впервые. Свойства сегнетовой соли были подробно исследованы в работах академика И. В. Курчатова и П. П. Кобеко.
Наиболее распространенным сегнетоэлектриком является метатитанат бария ВаТiO3. Впервые обнаружены и исследованы сегнетоэлектрические свойства метатитаната бария в 1944 г. академиком Б. М. Вулом. Часто ВаТiOз называют сокращенно титанатом бария.
Кроме сегнетовой соли и титаната бария, насчитывается около 290 индивидуальных соединений и более 1500 материалов — твердых растворов, обладающих сегнето- или антисегнетоэлектрическими свойствами. Под антисегнетоэлектриками подразумевают вещества, в которых спонтанная поляризация возникает в двух и более подрешетках, так что внутри каждого домена наблюдается взаимная компенсация электрических моментов, т. е. результирующая спонтанная поляризация оказывается равной нулю. Тем не менее антисегнетоэлектрики отличаются от линейных диэлектриков, поскольку они имеют спонтанную поляризацию и разбиты на домены.
Все сегнето- и антисегнетоэлектрики можно подразделить на две группы:
1) кислородно-октаэдрические или близкие к ним, где сегнетактивный ион находится, внутри кислородного октаэдра;
2) водородные или близкие к ним, где возникновение сегнетоэлектрических свойств связано с перемещением протонов в водородных связях, с вращением групп и т. д.
Рис.
1. Основная
кривая поляризации, выражающая
связь
между
D и
е в
сегнетоэлектриках
Разделение сегнетоэлектрика на домены приводит к уменьшению деполяризующего поля. Если, например, образец сегнетоэлектрика состоит из двух доменов с противоположно направленной поляризацией (рис. 5б), то требуемая энергия была бы намного меньше, чем в первом случае, однако она еще значительно больше возможного минимума. Можно представить себе еще более стабильную структуру, в которой имеется четыре противоположно поляризованных домена (рис. 5в). В результате деполяризующее поле существенно уменьшается и деполяризации кристалла не происходит. Однако процесс разбиения на домены не может идти беспредельно, так как на образование доменных стенок, то есть границ между доменами, затрачивается определенная энергия. По-видимому, равенство энергии деполяризующего поля и энергии доменных стенок ставит предел дальнейшему разбиению образца на домены и определяет равновесный размер доменов. Когда мы помещаем образец сегнетоэлектрика во внешнее электрическое поле, то в нем происходит перемещение доменных стенок, увеличивающее те домены, в которых направление спонтанной поляризации наиболее близко к направлению внешнего поля.