Лабораторная работа 2.2 Изучение электрических свойств сегнетоэлектриков

Цель работы: изучение зависимости диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от напряженности электрического поля, определение остаточной индукции и коэрцитивной силы.

Введение

Сегнетоэлектриками называют полярные диэлектрики, которые обладают поляризованностью даже при отсутствии внешнего электрического поля (спонтанно поляризованы). Спонтанная (или самопроизвольная) поляризованность этих диэлектриков сохраняется в определенном интервале температур. Примерами сегнетоэлектриков являются сегнетова соль NaKC₄H₄·4H₂O, давшая название этому классу веществ, титан бария BaTiO₃, триглицинсульфат (NH₂CH₂COOH)·3H₂SO₄ и др.

Сегнетоэлектрики отличаются от остальных диэлектриков рядом особенностей:

1. Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков очень высока (10⁴), в то время как у большинства обычных диэлектриков диэлектрическая проницаемость составляет несколько единиц.

2. Зависимость поляризованности от напряженности поля не является линейной, т.е. диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика зависит от напряженности поля.

3. Всем сегнетоэлектрикам свойственен гистерезис, представляющий собой неоднозначную зависимость поляризованности Р от напряженности электрического поля. Величина Р зависит не только от напряженности поля, но и от того, как изменялась напряженность до достижения данного значения, т.е. от предыстории образца сегнетоэлектрика.

При циклическом изменении напряженности поля зависимость P = f(E) изображается кривой, называемой петлей гистерезиса (рис. 1).

При начальном включении поля Е поляризованность Р растет в соответствии с кривой ОА, называемой начальной кривой поляризации. Соответствующее точке А значение напряженности E_m поля называют полем насыщения.

Рис. 1

Дальнейшее возрастание Е приводит к возрастанию поляризованности Р по кривой A. Это возрастание обусловлено электронной поляризацией сегнетоэлектрика. Соответствующее значение суммарной спонтанной и электронной поляризованности равно P_m. Так как при достижении состояния насыщения поляризованность Р_А представляет собой суммарное значение спонтанной и электронной поляризованности, то для определения максимальной спонтанной поляризованности Р_S необходимо экстраполировать прямую АА до пересечения с осью Р. Это обусловлено тем, что электронная поляризация пропорциональна напряженности электрического поля. Электронная поляризованность при напряженности E_m электрического поля равна

P_э = P_m – P_s . (1)

Если при достижении напряженности E_m поля начать уменьшать напряженность электрического поля, то поляризованность Р будет уменьшаться уже не по кривой ОА, а по кривой АВ. При достижении внешним полем нулевого значения сегнетоэлектрик не возвращается в неполяризованное состояние, а сохраняет остаточную поляризованность Р_r (отрезок ОВ). Для деполяризации сегнетоэлектрика, т.е. сведения к нулю остаточной поляризованности, необходимо приложить некоторое поле Е_c обратного направления. Напряженность Е_c (отрезок CО) называется коэрцитивной силой (коэрцитивным полем). При дальнейшем увеличении поля того же направления поляризация кристалла меняет свое направление и с ростом поля достигает насыщения в точке D. Дальнейший рост (от точки D до D) обусловлен действием электронной поляризации. Если вновь изменять напряженность от E_m до E_m, то электрическое состояние сегнетоэлектрика будет изменяться вдоль ветви DDFKAA. Значение остаточной поляризации для этой ветви определяется отрезком OF, а коэрцитивной силы – отрезком ОК.

При изменении напряженности поля от –Е₁ до Е₁ и последующем возвращении от Е₁ до –Е₁, где Е₁ – любое значение напряженности поля, удовлетворяющее условию 0 < Е₁ < E_m, будет также получаться петля гистерезиса (пунктирная кривая на рис. 1), называемая частной петлей (частным циклом). Очевидно, что частных циклов может быть бесчисленное множество, при этом вершины частных петель лежат на основной кривой ОА.

С егнетоэлектриками могут быть только кристаллические тела, у которых решетка не имеет центра симметрии. Кристаллическая решетка титана бария, например, состоит как бы из трех встроенных друг в друга кубических подрешеток; одна образована положительными ионами бария, другая - положительными ионами титана, третья – отрицательными ионами кислорода (рис. 2).

Рис. 2

Минимум энергии взаимодействия между положительными ионами титана и отрицательными ионами кислорода достигается, если они смещаются навстречу друг другу, нарушая тем самым симметрию элементарной кристаллической ячейки. Если такое смещение происходит во всех элементарных ячейках кристалла, то сегнетоэлектрик приобретает очень большой электрический дипольный момент в направлении этого смещения. В результате сильного электрического взаимодействия между отдельными поляризованными ячейками они располагаются так, что их дипольные моменты параллельны друг другу. Это и есть спонтанная поляризация.

При этом подобное взаимосогласованное расположение дипольных моментов возможно даже в отсутствие внешнего электрического поля.

Если макроскопический объем сегнетоэлектрика спонтанно поляризован, то он является источником сильного электрического поля. С этим связана большая энергия. Следовательно, такое состояние является энергетически невыгодным. Система из такого состояния стремится перейти к состоянию с меньшей энергией, сохраняя при этом спонтанную поляризацию. Это осуществляется путем разделения макроскопического объема сегнетоэлектрика на малые области, в каждой из которых имеется спонтанная поляризация в некотором направлении, различном для разных подобных областей. Средняя поляризованность объема сегнетоэлектрика, включающая в себя большое число подобных областей с различным направлением спонтанной поляризации, равна нулю. Такие малые области называются доменами. Размеры доменов порядка тысяч ангстрем (порядка микрометра).

Начальный участок кривой ОА (см. рис. 1) соответствует росту доменов с «выгодной» ориентацией за счет доменов с «менее выгодной» ориентацией. «Выгодной» является такая ориентация дипольных моментов, которая образует малый угол с направлением внешнего электрического поля. Наиболее интенсивно этот процесс протекает для среднего участка кривой ОА. Вблизи точки А происходит одновременный поворот дипольных моментов всех оставшихся доменов в направлении внешнего поля, и сегнетоэлектрик превращается в однодоменный кристалл (в точке А на рис. 1).

Состояние спонтанной поляризованности сегнетоэлектрика сохраняется вплоть до некоторой температуры, называемой точкой Кюри. В этой точке диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика быстро изменяется от значения, соответствующего сегнетоэлектрическому состоянию, до значения, соответствующего состоянию диэлектрика.