4.1 Основні теоретичні відомості

Сегнетоелектриками називають речовини, яким властива в пев­ному інтервалі температур спонтанна (самовільна) поляризація. Сегнетоелектричні явища спостерігаються в кристалах з певною структурою та в керамічних матеріалах на основі цих кристалів. До сегнетоелектриків відноситься сегнетова сіль, дигідрофосфат калію, тригліцинсульфат, титанат барію, станнат барію, ніобат кадмію, цирконат свинцю та інші.

Сегнетоелектрик складається із доменів – областей мікрострук­тури, що мають електричний момент, відмінний від нуля. Значення цього моменту є високими у порівнянні з моментами, зумовленими іншими видами поляризації. Однак, електричні моменти доменів орієнтовані хаотично і сумарний електричний момент сегнетоелектрика дорівнює нулю, якщо зразок не знаходиться в електричному полі. Під дією зовнішнього електричного поля відбувається рух доменних границь, орієнтація доменів у напрямі електричного поля і з'являється електричний момент всього зразка в цілому. При цьому значна частина енергії електричного поля затрачується на подолання енергетичних бар'єрів, що створюються граничними областями, внаслідок цього в сегнетоелектриках мають місце значні діелектричні втрати. Сегнетоелектрики характеризують також великими значеннями п'єзоелектричних, електрооптичних коефіцієнтів, які також сильно залежать від температури. Сукупність зазначених властивостей зумовлює широке застосування сегнетоелектриків для виробництва конденсаторів з великою питомою ємністю, варикондів, п'єзоелементів, нелінійно-оптичних пристроїв для керування лазерним променем тощо.

Якщо сегнетоелектрик не поляризований, то при збільшенні напруженості зовнішнього поля Е, електричне зміщення D зростає у відповідності з кривою OABC (рисунок 4.1). В слабких електричних полях поляризація сегнетоелектрика лінійно залежить від напруженості поля Е (ділянка ОА, рисунок 4.1). При напруженості, що відповідає точці В, досягається стан насичення – повної орієнтації доменів у напрямі дії електричного поля. При подальшому збільшенні напруженості поля поляризованість і, відповідно, електричне зміщення дещо зростає за рахунок електронної та іонної поляризації (ділянка ВС рисунок 4.1). Криву ОАВС називають початковою кривою поляризації. При зменшенні напруженості електричного поля електричне зміщення буде змінюватися не за початковою кривою, а за кривою CD.

При напруженості поля Е=0 зберігається деяка залишкова поляризація і, відповідно, залишкове зміщення D_r і залишковий заряд Q_r. Залишкова поляризація знімається тільки під дією електричного поля протилежного напряму напруженістю Е_с, яка називається коерцитивною силою. Подальше збільшення напруженості електричного поля призводить до повторення аналогічних змін у від'ємній області.

D(Q) B C

-E_c D 0 E_c E(U)

Рисунок 4.1 – Основна крива поляризації та петля гістересису сегнетоелектриків

При періодичній зміні напруженості зовнішнього електричного поля від E_m до –E_m і знову до E_m залежність D(E) утворює замкнену криву, яка носить назву діелектричної петлі гістерезису (рисунок 4.1). Аналогічною є залежність заряду Q конденсатора, діелектриком в якому є сегнетоелектрик, від напруги U.

Основна крива поляризації, яка близька до початкової, являє собою геометричне місце вершин симетричних гістерезисних петель, одержаних при різних максимальних значеннях напруженості електричного поля. Нелінійний характер основної кривої заряду зберігається в певному інтервалі температур. З підвищенням температури вище критичної сумарний дипольний момент сегнетоелектрика наближається до нуля, оскільки створенню доменної структури перешкоджають теплові коливання іонів, що знаходяться в вузлах кристалічної ґратки.

Температура, при якій починається процес зникнення спонтанної поляризації, називається температурою (точкою) Кюрі . При температурі Кюрі спостерігається максимум діелектричної проникності. Вище відбувається розпад доменної структури і сегнетоелектрик переходить в параелектричний стан.

Для характеристики поляризації сегнетоелектрика в електричному полі використовують такі параметри:

- залишковий заряд , що визначається при зменшенні зовнішнього електричного поля від максимального значення до нульового;

- коерцитивну силу , яка визначається як значення напруженості електричного поля при значенні заряду конденсатора рівному нулю;

- статичну ємність

, (4.1)

де – амплітудне значення заряду; – амплітуда напруги;

- втрати енергії на поляризацію зразка, що визначаються за площею гістерезисної петлі (площа петлі в координатах заряд-напруга пропорційна втратам енергії в сегнетоелектрику);

- коефіцієнт прямокутності гістерезисної петлі

; (4.2)

- коефіцієнт нелінійності

, (4.3)

де – максимальна ємність, що визначається з кривої ; – ємність, що визначена при U→0.