Поляризация сегнетоэлектриков
Рисунок.2.11. Основная кривая поляризации (а) и кривая диэлектрического гистерезиса (б) ОА - граница упругого смещения стенок доменов АБ – граница необратимого разрастания доменов Выше Б – участок насыщения, монодоменное состояние. |
Они характеризуются следующими особенностями:
1.
Рисунок 2.12. Пояснение механизма поляризации в метатитанате бария. а - кристаллическая ячейка метатитаната бария. б – деформация кристаллической ячейки при температуре ниже точки Кюри. в – элементарная ячейка при температуре больше точки Тк |
2. Внешнее электрическое поле изменяет доменную структуру, что создает эффект сильной поляризации. Это связано с процессами роста доменов, направление электрического момента которых близко к направлению внешнего поля. Поэтому сегнетоэлектрики имеют большое значение диэлектрической проницаемости, и нелинейную зависимость вектора поляризации от напряженности электрического поля, имеющего участок насыщения (рис. 2.11а)
|
|
3. Сегнетоэлектрики имеют диэлектрический гистерезис, то есть при уменьшении электрического поля до нуля, после поляризации диэлектрика, не приводит к полной его деполяризации (рис. 2.11б) Специфические свойства сегнетоэлектриков имеют место только в некотором интервале температур. При нагревании сегнетоэлектриков выше некоторой критической температуры (точка Кюри), имеет место распад доменной структуры: спонтанная поляризация исчезает.
4. Сегнетоэлектрики в определенных условиях являются пьезо- и пироэлектриками.
Механизм спонтанной поляризации. Этот механизм рассмотрим на примере метатитаната бария (BaTi3). При температуре выше температуры Кюри (ТК = 120 0С) ВаТiО3 имеет кристаллическую решетку , показанную на рис. 2.12а. .
Основу этой структуры составляют кислородные октаэдры, в центре которых находятся ионы титана, а в вершинах - ионы кислорода. Размер элементарной ячейки больше удвоенной суммы ионных радиусов титана и кислорода. Поэтому ион титана имеет некоторую свободу передвижения в границах кислородного октаэдра.
|
|
Если температура высока (Т>ТК), то вследствие интенсивного теплового движения ион титана беспрерывно перебрасывается от одного кислородного иона к другому, так что усреднено во времени его положение совпадает с центром элементарной ячейки, то есть такая ячейка не имеет электрического момента (рис. 2.12в). При этом домены отсутствуют, и спонтанная поляризация не наблюдается.
При температуре ниже температуры Кюри (Т<ТК = 120 0С), энергии теплового движения не достаточно для переброса ионов титана из одного положения равновесия в другое, поэтому ион титана локализуется вблизи одного из окружающих ионов кислорода. Вследствие этого кубическая симметрия в расположении заряженных частиц нарушается, и элементарная ячейка приобретает электрический момент (рис. 2.12б). Одновременно с этим изменяется и форма ячейки - она вытягивается вдоль направления электрического момента, приобретая тетрагональную симметрию. Электрический момент ячейки действует на ионы титана в соседних ячейках и смещает последние в том же направлении. Вследствие этого возникает домен, то есть макроскопический участок, которая имеет электрический момент. Одновременно в любом другом месте возникает аналогично второй домен, с иным направлением электрического момента. Поскольку в тетрагональной модификации BаTiO3 смещение ионов может проходить в направления любого ребра элементарной ячейки, то возможны шесть направлений спонтанной поляризации. Так как направления электрических моментов доменов случайны, то суммарный электрический момент вещества в отсутствия внешнего электрического поля равняется нулю.
|
|
При приложении внешнего электрического поля к сегнетоэлектрику, те ионы титана, которые сильно смещении в направлении, совпадающим с направлением внешнего электрического поля, своего положения не изменяют. Но те ионы, которые расположенные неблагоприятно по направлению к внешнему электрическому полю, смещаются по направлению электрического момента соседнего домена, который имеет электрический момент близкий к направлению внешнего электрического поля. То есть разрастаются домены с преобладающей ориентацией электрического момента в направлении поля, а уменьшаются в размерах с противоположной ориентацией электрического момента. В слабых электрических полях доминируют процессы обратимого смещения доменных границ, поэтому в слабых полях зависимость D=f(E) носит линейный характер (рис. 2.11 ОА). При некоторой напряженности поля (выше точки В) все ионы смещаются в направления электрического поля, то есть сегнетоэлектрик имеет монодоменное состояние. В этом случае при возрастании электрического поля вектор электрического смещения не изменяется, то есть наступает режим насыщения.
|
|
Рисунок 2.13. Зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от напряженности электрического поля. |
Нелинейный характер зависимости D=f(E) с участком насыщения приводит к зависимости диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля (рис.2.13).
Рисунок 2.14. Зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от температуры. 1 – в сильном электрическом поле 2 – в слабом электрическом поле. |
В слабых электрических полях повышение температуры приводит к ослаблению связей между ионами титана и кислорода. Под влиянием электрического поля ионы титана в доменах, которые имеют неблагоприятно ориентированный электрический момент, перемещаются в направлении электрического момента соседнего домена, который имеет направление электрического момента, близкое к направлению внешнего электрического поля. Поэтому последние увеличиваются в размерах, и поляризация также возрастает вплоть до точки Кюри.
Метатитанат бария имеет также пьезоэлектрические свойства. Это связано с электрической асимметрией кристаллической решетки в сильных электрических полях. Под влиянием поляризующего поля элементарная ячейка деформируется, приобретая тетрагональную форму, то есть кристалл становится подобным большому
Рисунок 2.15. Пояснение пьезоэффекта в метатитанате бария. а – расположение доменов без воздействия электрического поля б – возникновение деформации кристалла под влиянием электрического поля в – возникновение двойного слоя зарядов после поляризации г – Нарушение равновесия в двойном слое зарядов под влиянием механической деформации |
Если к такому кристаллу приложить механическое напряжение, например, сжать по направлению оси вдоль направления поляризации, то размеры кристалла вдоль оси уменьшатся, а перпендикулярно оси – увеличатся (2.15г). Но поскольку спонтанная поляризация связана с размером элементарной ячейки, то ее значение уменьшается. Это приводит к увольнению поверхностного заряда двойного слоя. То есть возникает избыточный заряд, пропорциональный механическому напряжению - прямой пьезоэффект.
Если к поляризованному кристаллу метатитаната бария приложить разность потенциалов, то под влиянием электрического поля изменяется размер элементарной ячейки, то есть возникает деформация кристалла, которая пропорциональна приложенному напряжению - обратный пьезоэффект.
Пьезоэлектрический эффект
Пьезоэлектриками называют диэлектрики, которые имеют сильный прямой и обратный пьезоэлектрический эффекты.
Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризации под влиянием механических напряжений. Электрический заряд, который возникает на поверхности диэлектрика, изменяется согласно линейному закону от воздействия механических усилий:
Q = d · F (2.39)
qs = Q/S = d · F/S = d · σ s (2.40)
где Q - заряд; d - пьезомодуль; F - сила; S - площадь;
q - заряд на единицу поверхности;
σ s - механическое напряжение в сечении диэлектрика.
Обратным пьезоэлектрическим эффектом называют изменение размеров диэлектрика ΔL/L под влиянием напряженности электрического поля по линейному закону.
ΔL/L = d·E (2.41)
где ΔL/L - относительная деформация образца.
Пьезомодули прямого и обратного пьезоэффектов равны. Деформация пьезоэлектрика зависит от направления электрического поля и изменяет знак при изменении направления последнего. Если приложить к пьезоэлектрику синусоидальное электрическое поле, то в нем возникнут синусоидальные деформации той же частоты.
Пьезоэффекты возникают только в веществах с гетерополярной химической связью, то есть пьезоэлектриками могут быть лишь ионные или сильное полярные диэлектрики. Кроме того, необходимым условием наличия пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии кристалла. Пьезоэлектриками могут быть только вещества с большим значением удельного сопротивления. Иначе пьезоэлектрическая поляризация быстро компенсируется свободными носителями заряда.
Обратный пьезоэлектрический эффект не следует путать с явлением электрострикции, которое имеет место в любых диэлектриках при любых механизмах поляризации.
Электрострикцией называют изменение геометрических размеров диэлектрика вследствие смещения электрических зарядов его структуры, пропорциональное квадрату напряженности поля и которое не зависит от его направления:
ΔL/L = χ·E2 (2.42)
где χ - модуль электрострикции
Если к образцу в этом случае приложить синусоидальное напряжение, то деформация образца будет проходить с двойной частотой
Явление электрострикции необратимо, т.е. при механической деформации никакого заряда на противоположных гранях образца не образуется.
Дата добавления: 2022-01-22; просмотров: 27; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!