8. Сегнетоэлектрики

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

В отсутствие внешнего электрического поля сегнетоэлектрики состоят из доменов – макроскопических областей размером 0,01-1 мкм, обладающих спонтанной поляризацией. Направление электрических моментов у разных доменов различно, поэтому суммарная поляризованность сегнетоэлектрика может быть равна нулю. Внешнее электрическое поле изменяет направление электрических моментов доменов, что обусловливает эффект сильной поляризации. Поэтому сегнетоэлектрики обладают очень большим значением диэлектрической проницаемости ε. Сегнетоэлектрикам присущи следующие основные свойства. 1. Высокое с сверхвысокое значение диэлектрической проницаемости, которое может достигать величины 10⁵. 2. Сильная зависимость диэлектрической проницаемости от температуры с максимум при определенной температуре, называемой точкой Кюри. Значение точки Кюри для различных сегнетоэлектриков находятся в пределах -170^оС÷+1200^оС. 3. Нелинейная зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля. 4. Наличие диэлектрического гистерезиса, который обусловлен отставанием поляризации от приложенного напряжения.

По типу химической связи и физическим свойствам все сегнетоэлектрические материалы подразделяют на две группы: ионные кристаллы; дипольные кристаллы. Ионные сегнетоэлектрики представляют из себя кристаллические материалы со структурой типа перовскита CaTiO₃ (исключение составляют сегнетоэлектрики LiNbTaO₃). В ионных сегнетоэлектриках не содержатся атомные группы, обладающие постоянным дипольным моментом. Дипольные сегнетоэлектрики. К ним относятся кристаллические материалы, в которых существуют постоянные электрические диполи или дипольные группы, образованные атомами, связанными между собой ковалентной связью. Сегнетоэлектрические материалы применяются для изготовления различных компонентов и устройств радиоэлектронных средств. 1. Изготовление малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью. 2. Материалы для варикондов – электрически управляемых конденсаторов. 3. Электрооптические кристаллы. 4. Материалы для преобразования частоты оптического сигнала.

К пьезоэлектрикам относятся диэлектрики, которые обладают сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Различают прямой и обратный пьезоэффект. Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют поляризацию диэлектрика под действием внешних механических напряжений. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в изменении размеров пьезоэлектрика Δl/l в зависимости от напряженности электрического поля Е по линейному закону Δl/l = δ = d Е где δ – относительная деформация. Итак, пьезоэлектрики являются электромеханическими преобразователями, преобразующими механическую энергию в электрическую и наоборот. При продольном пьезоэффекте заряды возникают на противоположных гранях пьезопластинке в направлении приложенного электрического поля. При поперечном пьезоэффекте заряды или деформация возникают в направлении, перпендикулярном направлению механических усилий или приложенного электрического поля соответственно. Монокристаллические пьезоэлектрики. К этим материалам относятся кристаллы кварца SiO₂; пьезоэлектрики на основе ионных сегнетоэлектриков, например, ниобата лития LiNbO₃, танталата лития LiTaO₃, германата висмута Bi₁₂GeO₂₀ и на основе дипольных сегнетоэлектриков: сульфата лития Li₂SO₄H₂O, дигидрофосфата аммония NH₄PO₄ и др. Поликристаллические пьезоэлектрики получают на основе керамических сегнетоэлектриков поляризацией их в сильном электрическом поле при температуре, близкой к Т_к. Пленочные пьезоэлектрики получают на основе монокристаллических соединений AlN, ZnS, CdS, CdSe и окиси цинка ZnO с определенной кристаллографической ориентацией. Пленочные пьезоматериалы находят применение при создании различных акустоэлектронных устройств.