Активные диэлектрики

Диэлектрики, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий и использовать эти воздействия для создания функциональных элементов электроники, относятся к группе активных диэлектриков: сегнето-, пьезо- и пиро-электрики; электро-, магнито- и акустооптические материалы; диэлектрические кристаллы с нелинейными оптическими свойствами..

Сегнетоэлектрики - вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено под действием внешнего электрического поля. Сегнетоэлектрики обладают рядом специфических свойств, которые проявляются лишь в определенном диапазоне температур. Температура Т_к (сегнетоэлектрическая точка Кюри) является температурой фазового перехода, ниже которой сегнетоэлектрик обладает доменной структурой и характерными сегнетоэлектрическими свойствами. При температуре, превышающей Т_к, происходит распад доменной структуры и сегнетоэлектрик переходит в параэлектрическое состояние. Следствием доменного строения сегнетоэлектриков являются нелинейная зависимость их электрической индукции от напряженности электрического поля (рис.42 ), которая носит название диэлектрической петли гистерезиса..

Рис.42

На рис. 43 приведена зависимость диэлектрической проницаемости титаната бария от температуры при различной напряженности электрического поля.

Рис.43

Сегнетоэлектрики по типу химической связи и физическим свойствам принято подразделять на две группы: ионные кристаллы, к которым относятся титанат бария ВаТiO₃, титанат свинца РbТiO₃, ниобат калия KnbO₃ барий-натриевый ниобат BaNaNb₅O₁₅, и др.; дипольные кристаллы, к которым относятся сегнетова соль NaKC₄H₄O₆-4H₂O, триглицинсульфат (NH₂CH₂COOH)₃ – H₂SO₄, дигидрофосфат калия КН₂РО₄ и др.

Все соединения первой группы нерастворимы в воде, обладают значительной механической прочностью, легко получаются по керамической технологии. Дипольные соединения, наоборот, обладают малой механической прочностью и растворимостью в воде, благодаря чему можно вырастить крупные монокристаллы этих соединений из водных растворов.

Сегнетоэлектрики применяются: для изготовления малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью; при изготовлении материалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и других управляемых устройств; в вычислительной технике для ячеек памяти; для модуляции и преобразования лазерного излучения; в пьезо- и пироэлектрических преобразователях.

Среди конденсаторной сегнетокерамики можно выделить, например, Т-900, кристаллическая фаза которого представляет собой твердый раствор титанатов стронция SrTiO₃ и висмута Bi₄Ti₃O₁₂ с температурой Кюри Т_к = -140°С. Этот материал имеет «сглаженную» зависимость диэлектрической проницаемости от температуры. Для производства малогабаритных конденсаторов на низкие напряжения используют также материал СМ-1, изготовляемый на основе титаната бария с добавлением оксидов циркония и висмута. Для изготовления конденсаторов, работающих при комнатной температуре, в том числе и высоковольтных, используется материал Т-8000 (е_r= 8000), имеющий кристаллическую фазу на основе BaTiO₃-BaZrO₃. Точка Кюри этого материала близка к комнатной температуре.

Для изготовления нелинейных конденсаторов применяются другие сегнетоэлектрические материалы, обладающие резко выраженными нелинейными свойствами – сильной зависимостью диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля. Такие материалы называются варикондами. Вариконды предназначены для управления параметрами электрических цепей изменением их емкости. Сегнетоэлектрики, петля гистерезиса которых по форме близка к прямоугольной, например такие, как триглицинсульфат (ТГС), можно применять в запоминающих устройствах ЭВМ.

Кристаллы некоторых сегнетоэлектриков и антисегнетоэлект-риков имеют сильно выраженный электрооптический эффект (антисегнетоэлектрики, как и cегнетоэлектрики, также имеют доменное строение, однако спонтанная поляризованность каждого домена у них равна нулю, так как дипольные моменты внутри каждого домена сориентированы антипараллельно). Электрооптический эффект заключается в изменении показателя преломления среды, который вызван внешним постоянным электрическим полем. Он называется линейным (эффект Поккельса), если показатель преломления изменяется пропорционально первой степени напряженности, и квадратичным, если наблюдается квадратичная зависимость от напряженности поля (эффект Керра). Электрооптические свойства сегнетоэлектрических кристаллов используются для модуляции лазерного излучения, осуществляемого электрическим полем, приложенным к кристаллу. Для электрооптических модуляторов света используют кристаллы ниобата лития LiNbO₃, дигидрофосфата калия КН₂РО₄, прозрачную сегнетокерамику системы ЦТСЛ, представляющую собой твердые растворы цирконата-титаната свинца с оксидом лантана.

При легировании сегнетоэлектрической керамики ВаТiO₃ и твердых растворов Ba(Ti, Sn)O₃, и (Ва, Рв)ТiO₃ неодимом и марганцем получают материалы, которые по своим свойствам относятся к сегнетополупроводникам. В таких материалах, благодаря легированию, возникают донорные и акцепторные уровни, и проводимость повышается в миллиарды раз до значений, соответствующих типичным полупроводникам. Однако высокая проводимость есть лишь в полярной фазе при температурах ниже точки Кюри. Вблизи точки Кюри проводимость резко уменьшается (в 10²… 10⁶ раз) и лишь при нагревании выше точки Кюри снова начинает расти с увеличением температуры. Такой эффект называется позисторным. Керамические элементы – позисторы имеют низкое «холодное» и высокое «горячее» сопротивление. Они широко применяются в системах теплового контроля, измерительной технике, в пусковых системах двигателей, для авторегулировки и в других устройствах.

Пьезоэлектрики – диэлектрики с сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризации диэлектрика под действием механических напряжений. При обратном пьезоэффекте происходит изменение размеров диэлектрика под действием приложенного электрического поля. Важное место среди пьезоэлектриков занимает монокристаллический кварц, из которого вырезают пластины с нужной для получения высоких характеристик кристаллографической ориентацией, имеет малый tgδ и высокую механическую добротность (т.е. малые механические потери). Механическая добротность (величина, обратная tgδ) в кварцевых резонаторах может достигать 10⁶… 10⁷.

Кроме кварца в различных пьезопреобразователях используют кристаллы сульфата лития, сегнетовой соли, ниобата и танталата лития. Широко применяется для изготовления пьезопреобразователей пьезоэлектрическая керамика, получаемая в основном из твердых растворов цирконата-титаната свинца PbZrO₃-PbTiO₃ (ЦТС).

Преимущество пьезокерамики перед монокристаллами – возможность изготовления активных элементов сложной формы и любого размера. Пьезокерамика применяется для изготовления малогабаритных микрофонов, телефонов, детонаторов, датчиков давлений, деформаций, ускорений, вибраций, пьезорезонансных фильтров, линий задержки, пьезотрансформаторов и др.

В конце 1960-х – начале 1970-х годов были открыты высокоэффективные полимерные пьезоэлектрики на основе, в частности, поливинилиденфторида (ПВДФ), конкурентоспособные с пьезокерамикой. Пьезопленка из ПВДФ и композитов на ее основе находит применение в бесконтактных переключателях, клавиатуре калькуляторов, ЭВМ, телефонных номеронабирателях. Стабильность пьезосвойств ПВДФ и керамики ЦТС сравнима. Основные параметры композитов с ЦТС снижаются на 1 % в год в течение 10 лет, у ПВДФ -–на 4% за 10 лет.

К активным диэлектрикам относятся пироэлектрики, т.е. диэлектрики, обладающие пироэлектрическим эффектом. Пироэлектрический эффект состоит в изменении спонтанной поляризованнос-ти диэлектриков при изменении температуры. К типичным линейным пироэлектрикам относятся турмалин и сульфат лития. Пироэлектрики спонтанно поляризованы, но в отличие от сегнетоэлектриков направление их поляризации не может быть изменено внешним электрическим полем. При неизменной температуре спонтанная поляризованность пироэлектрика скомпенсирована свободными зарядами противоположного знака за счет процессов электропроводности и адсорбции заряженных частиц из окружающей атмосферы. При изменении температуры спонтанная поляризованность изменяется, что приводит к освобождению некоторого заряда на поверхности пироэлектрика, благодаря чему в замкнутой цепи возникает электрический ток. Пироэффект используется для создания тепловых датчиков и приемников лучистой энергии, предназначенных, в частности, для регистрации инфракрасного и СВЧ-излучения.

Значительным пироэффектом обладают некоторые сегнетоэлектрические кристаллы, к числу которых относятся ниобат бария-стронция, триглицинсульфат (ТГС), ниобат и танталат лития. Пироэлектрический эффект проявляется также в поляризованной, т.е. подвергнутой действию постоянного электрического поля, сегнетокерамике, а также у некоторых полимеров, например у поляризованных поливинилденфторида и поливинилиденхлорида.

К электретам относятся диэлектрики, способные длительное время сохранять поляризованное состояние и создавать в окружающем их пространстве электрическое поле. Остаточная поляризация в электретах в отличие от пироэлектриков и поляризованных сегнетоэлектриков компенсирована не полностью, что приводит у них к отличной от нуля внешней напряженности поля, которая может быть очень высокой. Существуют различные способы получения электретов. Так, термоэлектреты получают в процессе охлаждения в сильном электрическом поле расплава полярных диэлектриков; фотоэлектреты изготовляют из материалов, обладающих фотоэлектропроводностью (серы, сульфата кадмия) при одновременном воздействии света и электрического поля; короноэлектреты получают при пониженном давлении газа в коронном разряде и др. Если заряд в электрете создается в результате действия различных релаксационных механизмов поляризации, то такие заряды называют гетерозарядами. Эти заряды имеют знак, противоположный знаку заряда электродов. Если заряды переходят на поверхность твердого диэлектрика из поляризующего электрода или воздушного зазора и имеют тот же знак, что и электроды, то такие заряды называют гомозарядами. Гомозаряды преобладают у неорганических (керамических) материалов и органических неполярных диэлектриков, гетерозаряды – у органических полярных диэлектриков. Время жизни электретов может достигать в нормальных условиях нескольких лет, но быстро уменьшается с повышением температуры и влажности за счет освобождения и нейтрализации носителей заряда, захваченных ловушками. Электреты применяются для изготовления микрофонов, телефонов, дозиметров радиации, влажности, электрометров в электрофотографии и во многих других случаях.

Твердые диэлектрики для оптических квантовых генераторов (лазеров) являются активной средой, представляющей собой кристаллическую или стеклообразную матрицу, в которой равномерно распределены активные ионы (активаторы). Все процессы поглощения и излучения света связаны с переходами электронов между уровнями активного иона, при этом матрица играет пассивную роль. Спектр излучения лазера в основном зависит от типа активного иона. Свойства некоторых лазерных материалов приведены в табл.1.

Таблица 1

Матрица	Активатор	Длина волны излучения, мкм
Рубин Al₂O₃+0,05%Cr₂O₃ Иттрий-алюминиевый гранат Y₃Al₅O₁₂ Флюорит CaF₂ Фторид марганца MnF₂ Cтекло Na₂O-B₂O₃-2SiO₂	Cr³⁺ Nd³⁺ U³⁺ Ni²⁺ Nd³⁺	0,7 1,6 2,61 1,93 1,6

Библиографический список

1. Арзамасов Б.Н., Сидорин И.И., Косолапов Г.Ф. и др. Материаловедение: Учебник для вузов.- М.: Машиностроение, 1986. – 384 с.

2. Конструкционные и электротехнические материалы / В.Н.Бородулин, А.С.Воробьев, С.Я.Попов и др.; Под ред. В.А.Филикова. – М.: Высшая школа, 1990. – 296 с.

3. Новые материалы. Под научной редакцией Ю.С.Карабасова. – М.:МИСИС. – 2002 – 736 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Строение и свойства материалов

2. Строение и свойства металлических сплавов

3. Диаграммы состояния (фазового равновеси\) сплавов

4. Материалы с особыми магнитными свойствами

5. Материалы с особыми электрическими свойствами

Библиографический список