Основные типы и особенности сегнетоэлектриков

Наиболее важной особенностью сегнетоэлектриков является высокая и обратимая поляризация, которая наблюдается при температуре вблизи точки Кюри-Вейсса. При температуре Т_K диэлектрическая проницаемость достигает максимума, а затем спадает в соответствии с законом Кюри-Вейсса.

Сегнетоэлектрики, обладающие высокой диэлектрической проницаемостью (e), нелинейностью основных характеристик в зависимости от температуры, частоты и других параметров, а также большими значениями пьезоэлектрических коэффициентов, находят применение в следующих основных областях техники [10,12,13]:

1) изготовление малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью;

2) использование материалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и других управляемых устройств;

3) использование сегнетоэлементов в счетно-вычислительной технике в качестве ячеек памяти;

4) использование кристаллов сегнето- и антисегнетоэлектриков для модуляции и преобразования лазерного излучения;

5) изготовление пьезоэлектрических и пироэлектрических преобразователей.

Сегнетоэлектрики часто превосходят также другие пьезоэлектрические материалы благодаря тому, что благодаря высоким значениям e они обладают высокими значениями коэффициента электромеханической связи, который последний характеризует долю электрической энергии, запасаемую в виде механической энергии. Тангенс угла потерь в таких сегнетоэлектриках обычно порядка 0,01.

Важной задачей является разработка сегнетоэлектриков, стабильно сохраняющих требуемые параметры при комнатной температуре. Такое управление свойствами возможно посредством изменения состава твердых растворов, причем управлять свойствами можно также путем введения определенных добавок в процессе изготовления керамики.

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

- конденсаторная сегнетокерамика, как и любой диэлектрик, для производства обычных конденсаторов, должна иметь наибольшую величину диэлектрической проницаемости с малой зависимостью от температуры, незначительные потери, наименьшую зависимость ε и tgδ от напряженности электрического поля (малую нелинейность), высокие значения удельного объемного и поверхностного сопротивлений и электрической прочности.

- нелинейность диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков на оптических частотах приводит к большому электрооптическому эффекту, что делает эти кристаллы перспективными для управления пучком когерентного излучения лазеров. В качестве примера можно сослаться на предложенное недавно одно из таких устройств, работающее по принципу интерферометра Фабри - Перо.

Классифицировать сегнетоэлектрики можно по разным признакам. Наиболее распространена классификация сегнетоэлектриков в соответствии со структурой и связанной с ней механизмом возникновения спонтанной поляризации при фазовом переходе [10,12,13]. По этому признаку они подразделяются на сегнетоэлектрики типа "смещения", у которых переход в сегнетоэлектрическую фазу связан со смещением ионов, и сегнетоэлектрики типа "порядок-беспорядок", у которых при переходе в сегнетоэлектрическую фазу происходит упорядочение имевшихся в исходной фазе диполей.

Сегнетоэлектрики типа "смещения" подразделяются на две основные группы: группу перовскита и группу псевдоильменита.

Сегнетоэлектрики группы перовскита могут существовать в виде монокристаллов или керамики. Характерная особенность структуры кристаллов этой группы — наличие кислородного октаэдра, внутри которого располагается 4- или 5- валентный ион Ti, Zr, Nb или другой ион с малым ионным радиусом. В параэлектрической фазе кристаллы этой группы имеют кубическую структуру. В вершинах куба располагаются ионы Ba, Pb, Cd и др. Ионы кислорода размещаются в центре граней куба, образуя октаэдр. Возникновение спонтанной поляризации в них связано с изменением ионов титана. Важная особенность таких сегнетоэлектриков способность образовывать твердые растворы с соединениями аналогичной структуры, например BaTiO₃-SrTiO₃, PbTiO₃-PbZrO₃. Сегнетоэлектрики группы псевдоильменита имеют ромбоэдрическую структуру. Характерная особенность кристаллов группы псевдоильменита — высокая температура Кюри. Эти кристаллы наиболее широко применяются в акустических устройствах на поверхностных объемных волнах: пьезопреобразователях, полосовых фильтрах, резонаторах, линиях задержки, ВЧ акустооптических модуляторах; они применяются также в устройствах нелинейной оптики и электроники и в пироприемниках.

Сегнетоэлектрики типа "порядок - беспорядок" делятся на три основные группы: группу дигидрофосфата калия (KDP) — дигидрофосфаты и дигидроарсенаты щелочных металлов (KH₂PO₄, PdH₂PO₄, KH₂AsO₄, RbH₂AsO₄, CsH₂AsO₄) и их дейтриевые аналоги; группу триглицинсульфата (ТГС) – (H₂CH₂COOH₃)×H₂SO₄; жидкокристаллические сегнетоэлектрики. Упорядочивающимися элементами структуры в сегнетоэлектриках группы KDР являются протоны (дейтроны) в водородных связях. Возникновение спонтанной поляризации связано с тем, что положения всех протонов становятся упорядоченными. Основные применения этой группы кристаллов — в устройствах нелинейной оптики и электрооптики. Сегнетоэлектрические свойства кристаллов группы ТГС обусловлены упорядочиванием протонов в водородных связях что приводит к возникновению диполей у молекул глицина и сульфатионов.

Жидкокристаллические сегнетоэлектрики — широкий класс жидких кристаллов, содержащих упорядочивающиеся полярные молекулы. Они обладают рядом электрических и оптических свойств, характерных для сегнетоэлектриков: резким фазовым переходом, сопровождающимся аномалиями тепловых, диэлектрических и оптических свойств; высокими значениями диэлектрической проницаемости (~ 10²) и другими. Некоторые жидкокристаллические сегнетоэлектрики обнаруживают петли диэлектрического гистерезиса. Оптические свойства сильно зависят от температуры и направленности внешнего электрического поля; на этом основаны наиболее важные применения таких сегнетоэлектриков: оптические индикаторы, транспаранты, дисплеи и другие.

В целом диэлектрики, к которым относится большая часть ионных кристаллов, характеризуются: а) высокой электрической прочностью, т.е. устойчивостью к деградации (изменению структуры) при высоких напряженностях электрического поля; б) низкими диэлектрическими потерями (tg) в переменном электрическом поле.