Сегнетоэлектрики

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 e и tgd от напряженности электрического поля (малую нелинейность), высокие значения удельного объемного и поверхностного сопротивлений и электрической прочности.

Одним из важнейших  методов получения оптимальных  свойств в заданном температурном  интервале является использование  твердых растворов. Изменением концентрации компонентов в твердом растворе можно регулировать значения диэлектрической  проницаемости, смещать температуру  Кюри, изменять нелинейность поляризации  и т. д. В твердых растворах, по сравнению с простыми веществами, можно получить более сглаженные температурные зависимости e, что имеет важное значение для производства конденсаторов. Однако в большинстве случаев использование однофазных материалов, даже являющихся твердыми растворами, не может обеспечить достаточно слабую температурную зависимость e. Для ослабления температурных зависимостей параметров конденсаторов в состав сегнетокерамики вводят различные добавки, которые «размывают» сегнетоэлектрический фазовый переход. В большинстве случаев конденсаторные сегнетокерамические материалы содержат несколько кристаллических фаз. При «размытом» фазовом переходе сравнительно слабо выражены и нелинейные свойства диэлектриков. В промышленности используют несколько сегнетокерамических материалов, каждый из которых применяют для определенных типов конденсаторов, так как ни один материал не отвечает совокупности всех перечисленных требований.

Среди существующей конденсаторной сегнетокерамики можно выделить:

1) материалы  со слабо выраженной температурной  зависимостью диэлектрической проницаемости,  например, Т - 900;

2) материалы  со сглаженной зависимостью диэлектрической  проницаемости от температуры,  например, СМ-1;

3) материалы  с максимальным значением диэлектрической  проницаемости в определенном  интервале температур, например  Т-8000.

В материале  Т-900 кристаллическая фаза представляет собой твердый раствор титанатов стронция (SrTiO₃) и висмута (Bi₄Ti₃O₁₂). Максимум e соответствует точке Кюри Т_К = -140°С. Рабочий диапазон температур расположен значительно правее Т_К, поэтому температурная зависимость e слегка падающая.

Материал СМ-1 изготавливают на основе титаната бария с добавкой окислов циркония и висмута. Его применяют для производства малогабаритных конденсаторов на низкие напряжения.

Материал Т-8000 имеет кристаллическую фазу, представляющую собой твердый раствор ВаТiOз — ВаZr0з. Точка Кюри этого материала находится в области комнатной температуры, поэтому вблизи нее диэлектрическая проницаемость имеет максимальное значение. Данный материал используют для изготовления конденсаторов, работающих при комнатной температуре (в нешироком интервале температур), в том числе и высоковольтных.

Распространены  и другие сегнетокерамические материалы  для конденсаторов, отличающиеся большей  диэлектрической проницаемостью и  более сглаженной зависимостью ее от температуры.

Материалы для  варикондов имеют резко выраженные нелинейные свойства; применяются для  изготовления нелинейных конденсаторов  — варикондов.

Одна из основных характеристик варикондов — коэффициент  нелинейности К, определяемый как отношение максимального значения диэлектрической проницаемости при некоторой, максимальной для данного материала, напряженности электрического поля к начальному значению диэлектрической проницаемости. Численное значение коэффициента нелинейности для различных марок варикондов может изменяться от 4 до 50 (в переменном поле). Основной кристаллической фазой в таких материалах являются твердые растворы системы Ba(Ti,Sn)0₃ или Pb(Ti, Zr, Sn)0₃.

Вариконды предназначены  для управления параметрами электрических  цепей за счет изменения их емкости  при воздействии как постоянного  или переменного напряжения, так  и нескольких напряжений, приложенных  одновременно и различающихся  по  значению и частоте. В простейшем случае им приходится работать при одновременном воздействии переменного (синусоидального) и постоянного электрических полей, причем Е_ >> E_~. Как отмечалось, изменение поляризации сегнетоэлектрика в этих условиях определяется реверсивной диэлектрической проницаемостью e_Р. Она характеризует степень ориентируемости электрических моментов доменов переменным полем при наличии преимущественной направленности их действием постоянного поля. Чем сильнее приложенное к сегнетоэлектрику постоянное поле, т. е. чем больше направленность  электрических моментов доменов, тем меньше влияние на суммарную электрическую индукцию в сегнетоэлектрике оказывает переменное поле. Следовательно, при заданной амплитуде переменного поля Е_M реверсивная диэлектрическая проницаемость e_Р с ростом Е_ уменьшается.

Нелинейные диэлектрические  элементы, обычно в тонкопленочном исполнении, являются основой разнообразных  радиотехнических устройств — параметрических  усилителей, низкочастотных усилителей мощности, фазовращателей, умножителей частоты, модуляторов, стабилизаторов напряжения, управляемых фильтров и др.

В качестве примера  использования варикондов приведем принципиальную схему диэлектрического усилителя, основанного на изменении  емкости нелинейного конденсатора С_вар под влиянием поля входного сигнала U_вх, обусловливающем изменение тока в нагрузке I_н.

Сегнетоэлектрики  с ППГ. В адресных регистрах вычислительных машин многократно используются переключатели, с помощью которых  производится выбор требуемой ячейки памяти. При разработке вычислительных машин предпринимаются меры для  уменьшения времени срабатывания этих переключателей число необходимых  селекторов. 

В 1952г Андерсон высказал предположение, что сегнетоэлектрики с хорошей прямоугольной петлей гистерезиса можно использовать в качестве элементов запоминающих устройств вычислительных машинах с возможной матричной селекцией. Для этих целей необходим материал с возможно более прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), что характерно для монокристаллов (например, триглицинсульфата). В отсутствие внешнего поля сегнетоэлектрик с ППГ имеет два устойчивых состояния, соответствующих различным направлениям остаточной электрической индукции. Одно из этих состояний в запоминающей ячейке означает хранение единицы, а другое — хранение нуля. Подавая внешнее напряжение различной полярности, сегнетоэлектрик можно переводить из одного состояния в другое. На этом основаны запись, считывание и стирание информации. Считывание информации можно осуществить без её разрушения, например, оптическим методом или измерением сопротивления тонкой полупроводниковой пленки, нанесенной на поверхности сегнетоэлектрика.

Время переключения ячейки пропорционально толщине  кристалла и при толщинах в  несколько десятых долей миллиметра составляет несколько микросекунд. В сегнетокерамике процесс переполяризации в отдельных зернах происходит независимо, и время прорастания доменов определяется размерами зерен, которые можно уменьшить до нескольких микрометров. В этом случае достигается более высокое быстродействие, чем в монокристаллах, хотя ухудшается прямоугольность петли гистерезиса.

Электрооптические кристаллы. Кристаллы ряда сегнето- и антисегнетоэлектриков обладают сильно выраженным электрооптическим эффектом, под которым понимают изменение показателя преломления среды, вызванное внешним статическим электрическим полем. Если изменение показателя преломления пропорционально первой степени напряженности, то электрооптический эффект называют линейным (или эффектом Поккельса). Если же наблюдается квадратичная зависимость от напряженности поля, то электрооптический эффект называют квадратичным (или эффектом Керра).

Электрооптические свойства сегнетоэлектрических кристаллов используются для модуляции лазерного  излучения. Модуляция светового  потока проще всего осуществляется электрическим полем, приложенным  к кристаллу, находящемуся между  двумя скрещенными поляроидами. Действие такого модулятора основано на зависимости плоскости поляризации  светового луча, проходящего через  кристалл, от напряженности электрического поля.

Разнообразные конструкции электрооптических  модуляторов света созданы на базе кристаллов ниобата лития (LiNbO₃), дигидрофосфата калия (КН₃Р0₄) и его дейтерированного аналога KD₂PO₄ (дидейтерофосфат калия). Весьма перспективно применение в качестве электрооптического материала прозрачной сегнетокерамики системы ЦТСЛ — твердые растворы цирконата-титаната свинца с окисью лантана.

В сегнетоэлектриках  электрооптический эффект усиливается  с приближением к точке фазового перехода (точке Кюри). Таким образом, имеетcя возможность получения эффективной модуляции света небольшими напряжениями, если поддерживать температуру кристалла вблизи точки Кюри.

Материалы нелинейной оптики. При воздействии мощных световых пучков, создаваемых с помощью  лазеров, во многих сегнето- и антисегнетоэлектриках проявляются нелинейные оптические эффекты, в основе которых лежит нелинейная поляризация среды, т. е. зависимость показателя преломления от напряженности поля самой световой волны. Нелинейность оптических свойств сегнетоэлектрических кристаллов позволяет осуществить генерацию гармоник лазерного излучения, смешение и преобразование частот оптических сигналов. Большой практический интерес представляет преобразование ИК-излучения лазеров (обычно с l = 1,06 мкм) в видимый свет. Высокую эффективность такого преобразования обеспечивают кристаллы KH₂PO₄, LiNbO₃, LiIO₃ (йодат лития), Ba₂NaNb₅O₁₅ и др.

Пьезоэлектрические  и пироэлектрические преобразователи. Наиболее широкое применение в качестве пьезоэлектрического материала  находит сегнетоэлектрическая керамика. Полярную сегнетокерамику, предназначенную для использования в пьезоэлектрических преобразователях, называют пьезокерамикой.

Основным материалом для изготовления пьезокерамических  элементов являются твердые растворы PbZrO₃ — PbTiO₃ (ЦТС). Эта керамика широко используется для создания мощных ультразвуковых излучателей в широком диапазоне частот для целей гидроакустики, дефектоскопии, механической обработки материалов. Такие ультразвуковые генераторы применяются также в химической промышленности для ускорения различных процессов и в полупроводниковой технологии для эффективной промывки и обезжиривания полупроводниковых пластин с помощью ультразвуковой ванны. Из пьезокерамики делают малогабаритные микрофоны, телефоны, громкоговорители, слуховые аппараты, детонаторы, различные устройства поджига в газовых системах. Пьезокерамические элементы можно использовать в качестве датчиков давлений, деформаций, ускорений, вибраций. Двойное преобразование энергии положено в основу работы пьезорезонансных фильтров, линий задержки и пьезотрансформаторов.

Пироэлектрический эффект проявляется в поляризованной сегнетокерамике, хотя пироэлектрических образцов заметно хуже, чем у монокристаллов. Для изготовления фотоприемников можно использовать все виды пьезокерамики, однако наиболее подходящим материалом для этих целей является керамика ЦТСЛ. Введение добавки окиси лантана позволяет приблизить температуру Кюри к комнатной и получить более высокие значения пироэлектрических коэффициентов.

4. Заключение

Изучив данный класс материалов — сегнетоэлектрики, мы нашли, что их самое замечательное  свойство состоит в том, что в  них существуют области одинаково  направленной спонтанной поляризации  — сегнетоэлектрические домены. Под  влиянием внешних воздействий сегнетоэлектрики могут переходить из многодоменного состояния в монодоменное. Это свойство сегнетоэлектриков используется для создания на их основе ЗУ ЭВМ. Многие сегнетоэлектрики обладают аномально высокими значениями диэлектрической проницаемости и пьезоэлектрических констант, сильной зависимостью физических свойств от температуры, достигающих экстремальных значений и максимальной нелинейности в окрестности точки фазового перехода сегнетоэлектрика в сегнетоэлектрическую фазу.

5. Литература

1.   Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники, 2-е изд. — М.: ВШ., 1986.

2.   Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики. Смоленский Т.А., Боков В.А., Крайник Н.Н., Пасынков Р.Е., Шур М.С. изд-во «Наука»., М, 1979.

3.   Дж Барфут. Введение в физику сегнетоэлектрических явлений. Пер. с англ. Н.Р. Иванова. Под ред. Л.А. Шувалова. Издат. «Мир» — М. 1970.

4.   Сегнетоэлектрики и ферромагнетики (Сборник статей. П.П. Пугачевич и др.) Калинин, 1973.

5.   Электроника: Энциклопедический словарь. Гл. ред. В.Г. Колесников, — М.: Сов. Энциклопедия, 1991.

6.   Сегнетоэлектрики в технике СВЧ (О.Г. Вендик, И.В. Иванов, А.И. Соколов и др.); под ред. О.Т. Вендика. — М.: Сов. Радио 1979