2.7.2. Сегнетоэлектрики.▲

Сегнетоэлектриками - вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля.

В отсутствие внешнего электрического поля сегнетоэлектрики имеют доменную структуру. Домены представляют собой макроскопические области, обладающие самопроизвольной поляризацией, которая возникает под влиянием внутренних процессов в диэлектрике. Направления электрических моментов у различных доменов различно. Поэтому суммарная поляризованность образца в целом может быть равна нулю.

Внешнее электрическое поле изменяет направления электрических моментов доменов, что создает эффект очень сильной поляризации. Этим объясняются свойственные сегнетоэлектрикам сверхвысокие значения диэлектрической проницаемости (до сотен тысяч).

Следствием доменного строения сегнетоэлектриков является нелинейная зависимость их заряда от прикладываемого напряжения. Нелинейность поляризации по отношению к полю и наличие гистерезиса обуславливают зависимость диэлектрической проницаемости и емкости сегнетодиэлектрического конденсатора от режима работы.

По типу химической связи и физическим свойствам их принято подразделять на две группы: ионные кристаллы и дипольные кристаллы.

У первой группы характерным структурным элементом решетки является кислородный октаэдр, поэтому их называют кислородно-октаэдрического типа (титанат бария BaTiO₃, титанат свинцаPbTiO₃, ниобат калияKniO₃, танталат литияLiTaO₃, йодат калияKJO₃, барий-натриевый ниобатBa₂NaNb₅O₁₅БАНАН и др.).

У кристаллов второй группы имеются готовые полярные группы атомов, способные занимать различные положения равновесия (сегнетова соль, дигидрофосфат калия, нитрит натрия и др.). У значительной части сегнетоэлектриков этой группы точка Кюри лежит значительно ниже комнатной температуры.

Ионные и дипольные сегнетоэлектрики существенно различаются по свойствам. Все соединения первого типа нерастворимы в воде, обладают значительной механической прочностью, легко получаются в виде поликристаллов по керамической технологии. Дипольные же сегенетоэлектрики обладают высокой растворимостью в воде и малой механической прочностью.

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

-изготовление малогабаритных НЧ конденсаторов с большой удельной емкостью;

-использование в вычислительной технике в качестве ячеек памяти;

-использование для диэлектрических усилителей, модуляторов и др. управляемых устройств;

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

-изготовление пьезоэлектрических и пироэлектрических преобразователей.

2.7.3. Пьезоэлектрики.▲

Это диэлектрики, обладающие сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом.

Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризации диэлектрика под действием механических напряжений, т.е. возникающий на каждой из поверхностей диэлектрика электрический заряд изменяется по линейному закону в зависимости от механических усилий.

При обратном пьезоэлектрическом эффекте происходит изменение размеров диэлектрика в зависимости от напряженности электрического поля.

Различают также продольный и поперечный пьезоэффекты. Под первым понимают такой эффект, когда возникновение зарядов на противоположных гранях пластинки определяют в том же направлении, в котором были приложены механические усилия. При поперечном пьезоэлектрическом эффекте возникающие заряды или деформации измеряют в направлении, перпендикулярном направлению механических усилий или электрического поля соответственно.

Пьезоэффект наблюдается лишь в веществах с гетерополярной химической связью, т.е. пьезоэлектриками могут быть либо ионные, либо сильнополярные диэлектрики. Вторым необходимым условием существования пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в структуре диэлектрика.

Известно более 1000 веществ, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, в том числе – все сегнетоэлектрики. Важнейшее применение нашел монокристаллический кварц - одна из модификаций двуокиси кремния – в качестве фильтров с высокой избирательной способностью, а также для стабилизации и эталонирования частоты генераторов.

Помимо кварца в различных пьезопреобразователях применяют кристаллы сульфата лития, сегнетовой соли, дигидрофосфата аммония, а также ниобат и танталат лития. Последние составляют значительную конкуренцию кварцу, превосходя его по добротности в диапазоне ВЧ и СВЧ.

Также находит широкое применение пьезокерамика – поляризованная сегнетокерамика, предназначенная для использования в пьезоэлектрических преобразователях. Пьезокерамика имеет перед монокристаллами то преимущество, что из нее можно изготовить активный элемент практически любой формы и любого размера.

Основным материалом для изготовления пьезокерамических элементов являются твердые растворы цирконата-титаната свинца PbZrO-PbTiOЦТС. Эта керамика широко используется для создания мощных ультразвуковых излучателей в широком диапазоне частот для целей гидроакустики, дефектоскопии, механической обработки материалов, в химической промышленности и полупроводниковой технологии. Из пьезокерамики делают малогабаритные микрофоны, телефоны, громкоговорители, слуховые аппараты, детонаторы. Двойное преобразование энергии положено в основу работы пьезорезонансных фильтров, линий задержки и пьезотрансформаторов.

Кроме керамики ЦТС для изготовления различных пьезоэлектрических преобразователей применяют керамические материалы на основе твердых растворов BaNbO–PbNbOиNaNbO–KNbO. Последние разработаны специально для ВЧ преобразователей (10-40МГц).