Активные диэлектрики

Активными называют диэлектрики, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий и использовать эти воздействия для создания функциональных элементов электроники. Активные диэлектрики позволяют осуществлять генерацию, усиление, модуляцию электрических и оптических сигналов, запоминание или преобразование информации.

К числу активных диэлектриков относят сегнето-, пьезо- и пироэлектрики; электреты; материалы квантовой электроники - для лазеров на твердых диэлектриках (рубин, иттрий-алюминевый гранат и др.); жидкие кристаллы; электро- , магнито- и акустооптические материалы; диэлектрические кристаллы с нелинейными оптическими свойствами и др.

Свойствами активных диэлектриков могут обладать не только твердые, но также и жидкие и даже газообразные вещества (например, активная среда газовых лазеров)

По химическому составу

• органические

• неорганические

По строению

• кристаллические

• аморфные

По свойствам

• полярные

• неполярные

Резкой границы между активными и пассивными диэлектриками не существует. От условий эксплуатации зависят выполняемые диэлектриком функции.

Наиболее универсальными свойствами характеризуются сегнетоэлектрики, которые сочетают в себе свойства пьезо- и пироэлектриков, электрооптических и нелинейно-оптических материалов. Сегнетоэлектрики обладают и рядом специфических, только им присущих свойств, важнейшим их них является нелинейное изменение поляризации при воздействии электрического поля.

Сегнетоэлектрики

Сегнетоэлектриками называются вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью электрического тока.

В отсутствие внешнего электрического поля сегнетоэлектрики, как правило, имеют доменную структуру. Домены представляют собой микроскопические области, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, которая возникает под влиянием внутренних процессов в диэлектрике (рис. 17.12). Направление электрических моментов у разных доменов различно. Поэтому суммарная полярность образца в целом может быть равна нулю. В принципе, если кристалл имеет малые размеры, то он может состоять всего лишь из одного домена. Однако крупные образцы всегда разбиваются на множество доменов, поскольку однодоменное состояние энергетически невыгодно. Разбиение на домены уменьшает электростатическую энергию сегнетоэлектрика.

Относительная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков значительно выше, чем у других веществ (в титаните бария BaTiO₃  составляет несколько тысяч), и зависит от напряженности внешнего электрического поля, вызывающего переориентацию диполей доменов. Поэтому у сегнетоэлектриков интенсивность поляризации

(или вектор поляризованности)

где d_j - складывающиеся геометрически электрические моменты отдельных атомов или молекул; V - объем;

(в слабых полях P= ₀(-1)E = _E,  - диэлектрическая восприимчивость)

не пропорциональна напряженности поля E. Зависимость Р(Е) носит характер петли гистерезиса(рис.17.11) (рис. 137), из-за этой зависимости в англоязычных странах сегнетоэлектрики называют ферроэлектриками.

Рис.17.11.

Рис. 17.12.

С ростом напряженности поля достигается насыщение P=P_S. При уменьшении E до нуля величина P не обращается в нуль (P_R - остаточная поляризованность). Только при изменении направления поля и достижении им определенного значения ±Е_с, называемого коэрцитивной силой поляризованность исчезает. Дальнейший ход зависимости Р(Е) очевиден из рисунка. Величины Е_с и P_R определяются природой материала.

В отсутствии электрического поля интенсивность поляризации значительно меньше суммы (арифметической) электрических моментов диполей всех атомов единицы объема. Причина заключается в доменной структуре сегнетоэлектриков и в том, что направление векторов поляризации соседних доменов не совпадают (энергетически наиболее выгодна противоположная направленность векторов поляризации соседних доменов) ( рис. 17.12). При этом, обеспечивается электрическая нейтральность доменных границ, т.е. проекция вектора поляризации на границу со стороны одного домена должна быть равна длине и проекции вектора поляризации со стороны соседнего домена.

По этой причине электрические моменты доменов ориентируются по принципу "голова" к "хвосту". (Установлено, что линейные размеры доменов составляют от 10^-4 до 10^-1 см). Толщина стенок между сегнетоэлектрическими доменами порядка одного-двух межатомных расстояний.

Сумма векторов поляризации доменов, а, следовательно, и поляризованность всего кристалла равны нулю.

С приложением внешнего электрического поля происходит смещение границ доменов и увеличение объема тех из них, у которых вектор поляризации направлен вдоль вектора (согласно с ним) за счет объема доменов с противоположной направленностью вектора поляризации. В целом это приводит к увеличению поляризации образца вдоль направления электрического поля. При полях напряженности примерно 10⁴ В/м все электрические моменты ориентируются вдоль вектора и на гистерезисной кривой наблюдается насыщение.

Доменную структуру сегнетоэлектриков можно исследовать оптическим методом в поляризованном свете. Каждый домен имеет свой показатель преломления и отличается по прозрачности и коэффициенту отражения. Возможны и другие методы наблюдения, например, осаждение на поверхность диэлектрика электрически заряженных порошков, концентрирующихся вдоль границ доменов.

Если в поляризованном до насыщения образце уменьшить напряженность поля до нуля, то поляризованность в нуль не обратится, а примет некоторое значение P_R и будет иметь место диэлектрический гистерезис, обусловленный необратимым смещением доменных границ под воздействием поля ( рис. 17.11). Это свидетельствует о дополнительном механизме диэлектрических потерь (т.е. потребляется электрическая мощность, затрачиваемая на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле), связанных с затратами энергии на ориентацию доменов. Площадь гистерезисной петли пропорциональна энергии, рассеиваемой в диэлектрике за один период. Вследствие потерь на гистерезис сегнетоэлектрики характеризуются весьма большим тангенсом угла диэлектрических потерь, который в типичных случаях tg = 0.1 (углом диэлектрических потерь  называют угол, дополняющий до 90^o угол сдвига фаз  между током и напряжением в емкостной цепи; в случае идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи опережает вектор напряжения на угол 90^o; при этом  равен нулю. Чем больше в диэлектрике рассеивается мощность, тем меньше угол сдвига фаз  и тем больше угол  и его функция tg.

С повышением T^o возрастает хаотичное тепловое движение атомов решетки, упорядоченность атомов нарушается и при T>T_c, где T_c - точка Кюри, самопроизвольная поляризация спадает по закону Кюри-Вейсса

(c - const), происходит распад доменной структуры и сегнетоэлектрик переходит в параэлектрическое состояние.

Примерами сегнетоэлектриков могут служить титанат бария BaTiO₃ (T_c=393K) (рис.139), сегнетова соль NaKC₄O₆*4H₂O (T_c=255297 K), необат калия KnbO₃ (T_c=708 K), фосфат калия KH₂PO₄ (дигидрофосфат) (T_c=123 K).

Как правило, сегнетоэлектрики используются в виде керамики, образованной из порошков или окислов прессованием и обжигом при T=1600-1800 К. Преимуществами керамики являются легкость изготовления, прочность, стабильность, возможность получения сложных конфигураций.

Рис.17.13.

Сегнетоэлектрики находят широкое применение при изготовлении малогабаритных конденсаторов в качестве нелинейных элементов радиотехнических устройств, в технике ультразвука. Во внешнем электрическом поле изменяются преломляющие свойства сегнетоэлектрических кристаллов (компоненты тензора показателя преломления): это явление используется для управления световыми пучками (оптические затворы, модуляторы и умножители частоты лазерного излучения и т.д.).

У некоторых сегнетоэлектриков и пироэлектриков (если деформация решетки вызвана изменением температуры, то явление возникновения поляризации называется пиротехническим эффектом (турмалин, сегнетова соль - пироэлетрики); если при механической деформации кристаллической решетки возникает поляризация - пьезоэлектрических эффект: сегнетова соль, фосфат аммония, -кварц - пьезоэлектрики для стабилизаторов, звукоснимателей, излучателей и приемников ультразвуковые колебания) можно наблюдать явление фоторефракции под действием интенсивных пучков света (лучей лазера). В тех точках, на которые падает луч, изменяется показатель преломления, и это изменение сохраняется длительное время после облучения. Очевидно, это связано с образованием под действием облучения свободных электронов, которые задерживаются вблизи дефектов кристалла и создают локальные электрические поля, а, следовательно, и локальные изменения показателя преломления. На этом явлении могут основываться оптические запоминающие устройства.

Кристаллическая решетка ряда диэлектриков (например, цирконата свинца PbZrO₃) может быть представлена в виде вдвинутых друг в друга подрешеток из разноименных ионов, причем дипольные моменты подрешеток противоположно ориентированны и взаимно компенсируются, так что самопроизвольной поляризации всего объема не наблюдается. Такие диэлектрики называют оптосегнетоэлектриками. Но при Е>Е_кр у них начинается переориентация дипольных моментов, и они переходят в сегнетоэлектрическое состояние с гистерезисной зависимостью Р(Е), показанной на рис. 17.13 (рис.140).