Спонтанная поляризация. Сегнетоэлектрики

2.1.5.

Среди ионных полярных кристаллов есть такие, которые способны поля­ризоваться без каких-либо внешних воздействий, самопроизволь­но, спонтанно. Такой диэлектрик можно представить цепочкой диполей, образование которых обусловлено несовпадением «центров тяжести» положительных и отрицатель­ных ионов.

Сегнетоэлектриками называют вещества, обладающие в оп­ределенном интервале температур спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, которая существенно изменя­ется под влиянием внешних воздействий: электрического поля, упругих напряжений, изменения температуры и др.

Спонтанная поляризация, то есть наличие электрического дипольного момента в отсутствии внешнего электрического поля, обусловлена особенностями строения сегнетоэлектриков. В от­сутствии внешнего электрического поля сегнетоэлектрики имеют доменную структуру. Домены представляют собой макроскопи­ческие области вещества, обладающие самопроизвольной поля­ризацией. Направления электрических моментов у разных доме­нов различно (рис. 2.5, а), поэтому суммарная поляризованность об­разца в целом равняется нулю.

Внешнее электрическое поле изменяет направления электри­ческих моментов доменов, что создает эффект очень сильной поляризации (рис.2.5, б). Именно этим объясняются свойственные сегнегоэлектрическим материалам сверхвысокие значения диэлек­трической проницаемости e (до сотен тысяч).

Следствием доменного строения сегнетоэлектриков является нелинейная зависимость их электрической индукции (или поля­ризации) от напряженности электрического поля, зависимость имеет вид петли гистерезиса (рис. 2.6).

а б

Рис. 2.5. Доменное строение сегнетоэлектрика в отсутствие внешнего электрического поля (а) и при приложении внешнего электрического поля напряженностью Е (б)

Рис. 2.6. Основная кривая поляризации сегнетоэлектрика (кривая ОА) и петля диэлектрического гистерезиса

Участок кривой ОА соответствует процессу роста доменов, у которых вектор спонтанной поляризации образует наименьший угол с направлением поля. В точке А наступает состояние тех­нического насыщения, поляризация достигает максимального значения P_max, все домены ориентируются по направлению поля. Кривую ОА называют кривой заряда сегнетоэлектрического конденсатора.

Если в поляризованном до насыщения образце уменьшить напряженность поля до 0, то поляризация в 0 не обратится, а примет некоторое остаточное значение P_ост (рис.2.6). При воздей­ствии полем противоположной полярности поляризация быст­ро уменьшается и при некоторой напряженности поля Е_с (называемой коэрцитивной силой) обращается в ноль.

Так как наличие гистерезиса - это результат запаздывания поляризации по отношению к внешнему электрическому полю, то площадь, ограниченная петлей гистерезиса, пропорциональна потерям, связанным с затратами энергии электрического поля на ориентацию доменов.

Специфические свойства сегнетоэлектриков проявляются только в определенном интервале температур. При увеличении температуры усиливается тепловое движение и, как следствие, нарушается доменная структура. Таким образом происходит пе­реход из сегнетоэлектрической фазы в параэлектрическую. Тем­пература, выше которой спонтанная поляризация исчезает назы­вается точкой Кюри. В точке Кюри диэлектрическая проницае­мость достигает максимума.

В настоящее время известно несколько сотен соединений, обладающих свойствами сегнетоэлектриков. Наиболее известны среди них титанат бария ВаТiО₃, титанат свинца Рb ТiО₃, ниобат калия КNbО₃.

Температура перехода в спонтанно поляризованное состояние (точка Кюри) у различных сегнетоэлектриков составляет от нескольких Кельвин (например, у Рb₂Nb₂О₇ Т_К = 15 К), Т_К = 393 К для титаната бария, и до полутора тысяч Кельвин (например, у LiNbО₃ Т_К = 1483 К).

В техническом применении сегнетоэлектриков наметилось несколько направлений, важнейшими из которых считаются:

- изготовление малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью;

- использование материалов с большой нелинейностью поляризации как основы различных радиотехнических устройств (параметрических усилителей, низкочастотных усилителей мощности, умножителей частоты, стабилизаторов напряжения и др.).

2.2. Электрофизические процессы в диэлектриках