Что нужно знать о сегнетоэлектриках — примеры материалов

Определение сегнетоэлектриков

Сегнетоэлектрики — это изоляционные материалы с электрической поляризацией, которые могут переключаться под действием приложенного напряжения. Сегнетоэлектричество не может возникать в металлах, потому что поляризация будет экранирована электронами проводимости.

Их особенности, свойства

Наблюдаемый физический эффект сегнетоэлектриков заключается в том, что материал представляет поляризацию после удаления электрического поля. Это может быть объяснено на основе остаточной подачи постоянных диполей. Одним из примеров является титанат бария.

Сегнетоэлектрические материалы — например, титанат бария (BaTiO3) и соль Рошель \((KNaC4H4O6. 4H2O)\) — состоят из кристаллов, в которых структурными единицами являются крошечные электрические диполи; то есть в каждой единице центры положительного заряда и отрицательного заряда слегка разделены.

В некоторых кристаллах эти электрические диполи самопроизвольно выстраиваются в кластеры, называемые доменами, а в сегнетоэлектрических кристаллах домены могут быть ориентированы преимущественно в одном направлении сильным внешним электрическим полем.

Все сегнетоэлектрики являются пироэлектрическими, с дополнительным свойством, заключающимся в том, что их естественная электрическая поляризация обратима. Этот термин используется по аналогии с ферромагнетизмом, при котором материал обладает постоянным магнитным моментом.

Ферромагнетизм был уже известен, когда сегнетоэлектричество было открыто Валасеком в 1920 году в соли Рошель. Таким образом, для описания этого свойства использовалась приставка «ferro», означающая железо, несмотря на то, что большинство сегнетоэлектрических материалов не содержат железа. Материалы, которые являются одновременно сегнетоэлектрическими и ферромагнитными, известны как мультиферроики.

Макроскопическая намагниченность вызвана магнитными дипольными моментами атомов (которые случайным образом расположены в высокотемпературной парамагнитной фазе, рис. 1а), стремящимися выровняться в одном направлении, как показано на рис. 1b.

Спонтанная намагниченность означает, что ферромагнитные материалы имеют тенденцию концентрировать плотность магнитного потока (они обладают большой положительной проницаемостью), что приводит к их широкому использованию в таких приложениях, как сердечники трансформаторов, постоянные магниты и электромагниты, для которых требуются большие магнитные поля.

Рисунок 1.

В подготовленных образцах ферромагнетиков часто отсутствует макроскопическая намагниченность из-за наличия доменов намагниченности, ориентированных в разных направлениях. Последующее выравнивание и переориентация доменов при приложении магнитного поля H, приводит к гистерезису намагниченности и плотности потока B, как показано на рисунке 2.

Ферромагнитный материал начинается в намагниченном состоянии, и по мере увеличения поля в положительном направлении магнитная индукция увеличивается с нуля до индукции насыщения Bs. Когда поле уменьшается до нуля после насыщения, индукция уменьшается с Bs до Br — остаточной индукции или удерживающей способности.

Обратное поле, необходимое для уменьшения индукции до нуля, называется коэрцитивной силой — Hc.

Петля гистерезиса для ферро- или ферримагнетика.

Рисунок 2.

Пригодность ферромагнитных материалов для конкретных применений определяется в основном характеристиками, показанными их петлями гистерезиса.

Например, петля гистерезиса квадратной формы с двумя стабильными состояниями намагничивания подходит для хранения магнитных данных, тогда как небольшая петля гистерезиса, которая легко переключается между состояниями, подходит для сердечника трансформатора с быстрым переключением направления поля.

Дипольный момент

Чтобы быть сегнетоэлектриком, материал должен обладать самопроизвольным дипольным моментом, который может переключаться в приложенном электрическом поле, т.е. самопроизвольно переключаемой поляризацией. Это обнаруживается, когда две частицы заряда q разделены некоторым расстоянием r, т.е.:

В сегнетоэлектрическом материале существует чистый постоянный дипольный момент, который определяется векторной суммой дипольных моментов в каждой элементарной ячейке — Σμ. Это означает, что он не может существовать в структуре, имеющей центр симметрии, так как любой дипольный момент, создаваемый в одном направлении, будет вынужден благодаря симметрии равняться нулю.

Следовательно, сегнетоэлектрики не должны быть центросимметричными. Однако это не единственное требование. Также должен быть спонтанный локальный дипольный момент, обычно приводящий к макроскопической поляризации, но необязательно, если есть области, которые полностью отменяются. Это означает, что центральный атом должен находиться в неравновесном положении.

Например, рассмотрим атом в четырехгранном промежутке.

Диаграммы неполярных и полярных структур

Слева, в (А) — структура неполярная. Смещения центрального атома нет, как и чистого дипольного момента. Справа, в (B), центральный атом смещен, и структура — полярная. Теперь в структуре присутствует дипольный момент. Это приводит к поляризации.

Поляризация

Поляризация может быть определена как общий дипольный момент на единицу объема, т. е.

P = p/V

Материалы поляризуются вдоль уникального кристаллографического направления, поскольку определенные атомы смещаются вдоль этой оси, что приводит к возникновению дипольного момента вдоль нее. В зависимости от кристаллической системы может быть несколько или много возможных осей.

Поскольку это наиболее распространенный случай, и его легко увидеть, давайте рассмотрим тетрагональную систему, которая образуется при охлаждении из высокотемпературной кубической фазы до температуры Кюри, например, Tc = 120 °C в BaTiO3.

В этой системе дипольный момент может находиться в 6 возможных направлениях, соответствующих исходным кубическим осям.

Диаграмма возможных направлений дипольного момента.

В кристалле, вероятно, дипольные моменты элементарных ячеек в одной области лежат вдоль одного из шести направлений, отличных от дипольных моментов в другой области. Каждая из этих областей называется доменом, и поперечное сечение кристалла может выглядеть следующим образом:

Диаграмма доменов в поперечном сечении кристалла

Диаграмма доменов в поперечном сечении монокристалла

Это приводит к уменьшению энергии рассеянного поля, поскольку существует меньше изолированных головок и хвостов доменов.

Границы доменов расположены таким образом, чтобы дипольные моменты отдельных доменов пересекались либо под углом 90°, либо под углом 180°. В поликристалле (с более чем одним кристаллографическим зерном) расположение доменов зависит от размера зерна. Если зерна мелкие (< 1 микрон), то обычно обнаруживается один домен на зерно. В более крупных зернах в каждом из них может быть более одного домена.

Это микрофотография, показывающая домены в одном зерне

В этом зерне домены сдвоены таким образом, чтобы уменьшить общую энергию рассеянного электрического поля. Поскольку каждый домен обладает своим собственным дипольным моментом, мы можем переключать дипольные моменты для кодирования информации.

Температура Кюри

Свойства этих материалов проявляются только при определенной температуре фазового превращения. Выше этой температуры материал превратится в параэлектрический материал. То есть произойдет потеря спонтанной поляризации. Эта определенная температура называется температурой Кюри (TC).

Большинство из этих материалов выше Tc также потеряют пьезоэлектрические свойства.

Изменение диэлектрической проницаемости с использованием температуры в неполярном параэлектрическом состоянии показано законом Кюри-Вайса, как указано ниже.

Здесь:

• ε — диэлектрическая проницаемость;
• ε∞ — значение ε при температуре, T > Tc;
• A — константа;
• Tc — точка Кюри;
• T — температура;
• χ — восприимчивость;
• Cc — константа Кюри материала.

Диэлектрическая проницаемость и температурная характеристика сегнетоэлектрического материала представлены ниже.

Применение

Сегнетоэлектрики используются уже несколько десятилетий, но они все еще изучаются специалистами. Их использование в вычислительной технике будет только увеличиваться по мере их миниатюризации. Однако для этого необходимо понять, как их свойства изменяются в микромасштабе — это станет целью будущих исследований. Сегнетоэлектрики будут использоваться еще долгое время, так как их свойства уникальны.

Нелинейная природа сегнетоэлектрических материалов может быть использована для изготовления конденсаторов с регулируемой емкостью. Как правило, сегнетоэлектрический конденсатор просто состоит из пары электродов, прослоенных слоем сегнетоэлектрического материала.

Сегнетоэлектрические материалы обладают спонтанной электрической поляризацией, поскольку отрицательные и положительные заряды в материале стремятся в противоположные стороны, и при приложении внешнего электрического поля переориентируются.

На них может воздействовать физическая сила, поэтому они полезны для кнопочных воспламенителей, таких как те, что используются в газовых грилях.

Их также можно использовать для хранения данных и памяти, поскольку они остаются в одном поляризованном состоянии без дополнительного питания, и поэтому являются низкоэнергетическими цифровыми решениями для хранения данных.

За последние 10 лет значительно расширилось понимание фундаментальной физики сегнетоэлектриков, что в свою очередь, способствовало оптимизации материалов для конкретных применений устройств. Сегодня сегнетоэлектрики применяются в различных областях, включая:

• преобразователи и исполнительные механизмы (из-за их пьезоэлектричества);
• конденсаторы (из-за их высокой диэлектрической проницаемости);
• приложения для памяти (поскольку их свойства гистерезиса приводят к двум стабильным состояниям противоположной поляризации).

Сегнетоэлектрические материалы имеют множество применений, в том числе:

1. Термисторы.
2. Генераторы.
3. Энергонезависимая память.
4. Фильтры.
5. Конденсаторы.
6. Светоотражатели.
7. Электрооптические материалы.
8. Модуляторы.
9. Пьезоэлектрический дисплей и т.д.

Примеры сегнетоэлектриков

Примеры сегнетоэлектрических материалов:

1. BaTiO_3.
2. PbTiO_3.
3. Титанат цирконата свинца.
4. Триглицинсульфат.
5. Поливинилиденфторид.
6. Танталат лития и т. д.