Сегнетоэлектрики - это... Понятие, определение, свойства и применение

Сегнетоэлектрики – это элементы, обладающие спонтанной электрической поляризацией (СЭП). Инициаторами ее обращения могут являться приложения электрического диапазона E с подходящими параметрами и векторами направления. Такой процесс называется переполяризацией. Его обязательно сопровождает гистерезис.

Общие черты

Сегнетоэлектрики – это компоненты, которым присущи:

  1. Колоссальная диэлектрическая проницаемость.
  2. Мощный пьезомодуль.
  3. Петля.

Применение сегнетоэлектриков осуществляется во многих отраслях. Вот их примеры:

  1. Радиотехника.
  2. Квантовая электроника.
  3. Измерительная техника.
  4. Электрическая акустика.

Сегнетоэлектрики – это твердые тела, не являющиеся металлами. Их изучение наиболее эффективно, когда их состояние монокристаллическое.

Яркие специфики

У данных элементов их всего три:

  1. Обратимая поляризация.
  2. Нелинейность.
  3. Аномальные характеристики.

Многие сегнетоэлектрики перестают быть таковыми, когда находятся в температурных переходных условиях. Такие параметры называют ТK. Вещества ведут себя аномально. Их диэлектрическая проницаемость стремительно развивается и достигает солидных показателей.

Классификация

Она довольно сложная. Обычно ключевыми ее аспектами являются конструкция элементов и контактирующая с ней технология образования СЭП при смене фаз. Здесь фигурирует подразделение на два вида:

  1. Имеющие смещение. У них при фазовом движении сдвигаются ионы.
  2. Порядок – хаотичность. При аналогичных условиях у них упорядочиваются диполя первоначальной фазы.

У данных видов также имеются подвиды. Так, компоненты со смещением делятся на две категории: перовскиты и псевдоильмениты.

У второго вида есть деление на три класса:

  1. Дигидрофосфаты калия (KDR) и щелочных металлов (например, KH2AsO4 и KH2PO4 ).
  2. Триглицинсульфаты (ТГС): (NH2CH2COOH3)×H2SO4.
  3. Жидкокристаллические компоненты

Перовскиты

Кристаллы перовскиты

Такие элементы существуют в двух форматах:

  1. Монокристаллическом.
  2. Керамическом.

В них присутствует кислородный октаэдр, в котором содержится ион Ti с валентностью 4-5.

Когда происходит параэлектрическая стадия, кристаллы приобретают кубическую конструкцию. На вершине сосредотачиваются ионы типа Ba и Cd. А их кислородные аналоги позиционируются в середине граней. Так формируется октаэдр.

Когда здесь меняются ионы титана, осуществляется СЭП. Подобные сегнетоэлектрики могут создавать твердые смеси с образованиями похожей структуры. Например, PbTiO3-PbZrO3 . Благодаря чему получается керамика с подходящими характеристиками для таких приборов, как вариконды, пьезоприводы, позисторы и т.д.

Псевдоильмениты

Они отличаются ромбоэдрической конфигурацией. Их яркая специфика – высокие температурные показатели Кюри.

Они также представляют собой кристаллы. Как правило, их задействуют в акустических механизмах на верхних больших волнах. Их наличием характеризуются следующие приборы:

- резонаторы;

- фильтры с полосами;

- акустооптические модуляторы высоких частот;

- пироприемники.

Также их внедряют в электронные и оптические нелинейные аппараты.

KDR и ТГС

Сегнетоэлектрики первого обозначенного класса имеют строение, которое упорядочивают протоны в водородных контактах. СЭП возникает, когда все протоны расположатся по порядку.

Элементы данной категории задействуют в нелинейных оптических приборах и в электрической оптике.

В сегнетоэлектриках второй категории протоны упорядочиваются аналогично, только образуются диполя около глициновых молекул.

Компоненты этой группы используются ограничено. Обычно их содержат пироприемники.

Жидкокристаллические виды

Жидкокристаллические сегнетоэлектрики

Они характеризуются наличием полярных молекул, располагающихся по порядку. Здесь ярко проявляются основные специфики сегнетоэлектриков.

На их оптические качества влияют температура и вектор наружного электрического спектра.

На основе этих факторов применение сегнетоэлектриков такого типа реализуется в оптических датчиках, мониторах, транспарантах и т. д.

Отличия двух классов

Сегнетоэлектрики – это образования с ионами или диполями. Они имеют значительные отличия по своим свойствам. Так, первые компоненты вообще не растворяются в воде, зато имеют мощную механическую прочность. Они легко образуются в формате поликристаллов при условии действия по керамической системе.

Вторые легко растворяются в воде и имеют ничтожную прочность. Они позволяют образовывать монокристаллы солидных параметров из водных составов.

Домены

Деление доменов в сегнетоэлетриках

Большинство характеристик сегнетоэлектриков зависит от доменов. Так, параметр тока переключения имеет тесную связь с их поведением. Они есть и в монокристаллах, и в керамике.

Доменная структура сегнетоэлектриков – это сектор макроскопических габаритов. В нем вектор произвольной поляризации не имеет расхождений. А отличия есть лишь от аналогичного вектора в соседних секторах.

Домены разделяют стенки, которые способны сдвигаться во внутреннем пространстве монокристалла. При этом происходит увеличение одних и уменьшение других доменов. Когда идет переполяризация, секторы развиваются, благодаря смещению стенок или похожих процессов.

Электрические свойства сегнетоэлектриков, представляющих собой монокристаллы, формируются на основе симметрии решетки кристаллов.

Самая выгодная энергетическая структура характеризуется тем, что доменные рубежи в ней электрически нейтральны. Таким образом, поляризационный вектор проецируется на рубеж конкретного домена и равняется его длине. При этом он противоположен по направлению идентичному вектору со стороны ближайшего домена.

Следовательно, электрические параметры доменов формируются на основе схемы голова–хвост. Определены линейные значения доменов. Они находятся в диапазоне 10-4-10-1 см.

Поляризация

Из-за наружного электрического поля меняется вектор электрических действий доменов. Так возникает мощная поляризация сегнетоэлектриков. Вследствие чего диэлектрическая проницаемость достигает огромных значений.

Поляризация доменов объясняется их зарождением и развитием из-за сдвига их рубежей.

Обозначенная структура сегнетоэлектриков становится причиной непрямой зависимости их индукции от степени напряжения наружного поля. Когда оно слабое, вид связи между секторами линейный. Возникает участок, на котором смещаются доменные пределы по обратимому принципу.

В зоне мощных полей такой процесс является необратимым. При этом растут сектора, у которых вектор СЭП формирует минимальный угол с вектором поля. И при определенной напряженности все домены выстраиваются именно по полю. Образуется техническое насыщение.

В таких условиях при снижении напряженности до нулевого значения нет и аналогичного обращения индукции. Она получает остаточный показатель Dr. Если на нее будет воздействовать поле с противоположным зарядом, она стремительно уменьшится и изменит свой вектор.

Последующее развитие напряженности снова приводит к техническому насыщению. Таким образом, обозначается зависимость сегнетоэлектрика от переполяризации в варьирующихся спектрах. Параллельно с этим процессом идет гистерезис.

Напряженность диапазона Ер, при котором индукция следует через нулевое значение, – это коэрцитивная сила.

Процесс гистерезиса

При нем необратимо смещаются доменные рубежи под воздействием поля. Он означает наличие диэлектрических утрат, обусловленных энергетическими расходами на расположение доменов.

Здесь образуется гистерезисная петля.

Гистерезисная петля

Ее площадь соответствует затрачиваемой энергии в сегнетоэлектрике за один цикл. Из-за потерь в нем формируется тангенс угла 0,1.

При разных показателях амплитуды создаются гистерезисные петли. Их вершины в совокупности образуют главную поляризационную кривую.

Основная кривая поляризации сегнетоэлектрика

Измерительные операции

Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков почти всех классов отличается солидными значениями даже при показателях, отдаленных от TK.

Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков

Ее измерение происходит так: на кристалл наносятся два электрода. Определяется его емкость в переменном диапазоне.

Выше показателей ТK проницаемость имеет определенную термальную зависимость. Это можно вычислить, основываясь на закон Кюри-Вейса. Здесь работает следующая формула:

e= 4pC / (Т-Тс).

В ней С является постоянной Кюри. Ниже переходных значений она стремительно падает.

Буква «e» в формуле означает нелинейность, которая присутствует здесь в достаточном узком спектре со смещающимся напряжением. Из-за нее и гистерезиса проницаемость и объем сегнетоэлектрика зависят от рабочего режима.

Виды проницаемости

Материал в разных рабочих условиях нелинейного компонента меняет свои качества. Для их характеристики используются следующие виды проницаемости:

  1. Статистическая (eст). Для ее вычисления применяется главная поляризационная кривая: eст = D / (e0Е) = 1 + Р / (e0Е) » Р / (e0Е).
  2. Реверсивная (eр). Обозначает смену поляризованности сегнетоэлектрика в переменном диапазоне при параллельном влиянии стабильного поля.
  3. Эффективная (eэф). Вычисляется по актуальному показателю тока I (подразумевается несинусоидальный тип), идущего в связке с нелинейным компонентом. При этом есть активное напряжение U и угловая частота w. Работает формула: eэф ~ Сэф = I / (wU).
  4. Начальная. Она определяется в чрезвычайно слабых спектрах.

Два основных типа пироэлектриков

Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики

Таковыми считаются сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики. У них есть сектора СЭП – домены.

В первом виде один домен образует вокруг себя деполяризующую сферу.

Когда создается много доменов, оно уменьшается. Сокращается и энергия деполяризации, но увеличивается энергия секторных стенок. Завершение процесса происходит, когда данные показатели становятся в один порядок.

Каково поведение СЭП при нахождении сегнетоэлектриков в наружной сфере, было описано выше.

Антисегнетоэлектрики – ассимиляция минимум двух подрешеток, помещенных друг в друга. В каждой направленность дипольных факторов параллельная. А их общий дипольный показатель – это 0.

В слабых спектрах антисегнетоэлектрики отличаются линейным типом поляризации. Но по мере увеличения силы поля они могут приобретать кондиции сегнетоэлектриков. Параметры поля развиваются от 0 до показателя Е1. Поляризация растет линейно. На обратном движении она уже отходит от поля – получается петля.

Когда образуется напряженность диапазона Е2 , сегнетоэлектрик преобразуется в свой антипод.

При смене вектора поля Е ситуация идентична. Это означает симметричность кривой.

Антисегнетоэлектрик, превосходя отметку Кюри, приобретает параэлектрические кондиции.

Точка Кюри

При нижнем подходе к этой точке проницаемость достигает определенного максимума. Выше нее он варьируется по формуле Кюри-Вейсса. Однако абсолютный параметр проницаемости в обозначенной точке уступает аналогичному показателю сегнетоэлектриков.

Во многих случаях антисегнетоэлектрики обладают кристаллической конструкцией, родственной их антиподам. В редких ситуациях и при идентичных соединениях, но при разных температурах появляются фазы обоих пироэлектриков.

Самые известные антисегнетоэлектрики - это NaNbO3, NH4H2P04 и т. д. Их количество уступает числу распространенных сегнетоэлектриков.

Статья закончилась. Вопросы остались?
Подписаться
Я хочу получать
Правила публикации
Следят за новыми комментариями — 8
Редактирование комментария возможно в течении пяти минут после его создания, либо до момента появления ответа на данный комментарий.