Диэлектрические свойства титаната бария
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
кислорода располагаются в вершинах правильных октаэдров, в центре которых расположены атомы титана.
Иногда (в предположении преимущественно ионной связи) структуру BaTiO3 представляют как плотнейшую кубическую упаковку, образованную ионами O2? и Ba2+, в части октаэдрических пустот которой размещены ионы Ti4+. На одну элементарную ячейку BaTiO3 приходится четыре октаэдрических и восемь тетраэдрических пустот. Ион Ti4+ занимает одну из октаэдрических пустот, образованных ионами кислорода. Титанат бария при комнатной температуре имеет поликристаллическую структуру перовскита. Смещение ионов Ti, ОI и ОII по оси Z соответственно на 0,014с, - 0,023с и - 0,04с является причиной возникновения спонтанной поляризации Ps ? 0,25 Кл/м2. На рис.2.1.2 приведены температурная зависимость ? и tg?, а также ход зависимости 1/? (Т) и изменение кристаллической структуры при тепловом переходе из сегнетоэлектрической фазы в параэлектрическую фазу. Следует обратить внимание, что каждый структурный переход сопровождается фазовым переходом в точке Кюри Т?к= 400С. Для чистого BaTiO3 температура Тк на 12 ниже. Постоянная Кюри - Вейсса для титаната бария - С = 1,2?105 К, а величина ?max = 105 (рис 2.1.2).
Рис.2.1.2 Температурная зависимость диэлектрической проницаемости ? и тангенса угла диэлектрических потерь tg? керамики BaTiO3. Тк - точка Кюри, То - температура Кюри - Вейсса, 2 - ромбическая фаза, 1 - ромбоэдрическая фаза, 3 - тетрагональная фаза, 4 - кубическая фаза
Переход в неполяризованное состояние будет происходить у него при нагревании до 400 К, с изменением параметров решетки (рис 2.1.3)
Каждая элементарная ячейка имеет электрический момент, т.е. центры тяжести электрических зарядов частиц, входящих в ячейку, не совпадают.
Рис.2.1.3 График изменения параметров кристаллической решетки в различных полиморфических структурах
2.2 Температурная зависимость свойств
Взаимодействие отдельных ячеек между собой в сегнетоэлектрике таково, что упорядоченное расположение ячеек с одинаково направленными электрическими моментами является наиболее устойчивым. Ориентация электрических моментов многих ячеек в одном направлении приводит к образованию в кристалле областей или доменов, однородно поляризованных.
Полная поляризация сегнетоэлектрика во внешнем поле складывается из двух процессов: роста индуцированной поляризации и изменения удельного веса доменов, спонтанный момент которых ориентирован в направлении внешнего поля. Установление полной поляризации в сильном поле является сложным процессом, так как в общем случае и спонтанная Pсп и индуцированная Pинд поляризация являются нелинейными функциями напряженности поля. В областях, где индуцированную поляризацию можно считать линейной функцией от напряженности поля, разделение поляризаций производится следующим образом: экстраполируется ветвь насыщения петли гистерезиса (рис.2.2.1) к значению поля, равному нулю, и тогда участок АВ соответствует индуцированной, а участок ВО - спонтанной поляризации.
Рис.2.2.1 Петля гистерезиса
При некоторой температуре исчезает спонтанная поляризация и связанная с ней петля гистерезиса.
Рис.2.2.2 Элементарные ячейки четырех фаз BaTiO3; а - кубическая элементарная ячейка, стабильна выше 400 К; б - тетрагональная, стабильная в интервале температур 280-400 К; в - ромбическая, стабильна в интервале температур 180-250 К; г - ромбоэдрическая, стабильная ниже 180 К. Штрихами указана исходная кубическая фаза.
В интервале 273-295 К ячейка ВаТiO3 тетрагональная (Рис.2.2.2, б), при 400 К происходит фазовый переход и тетрагональная ячейка превращается в кубическую, так что при 400 К она уже кубическая (Рис.2.2.2, а), а домены разрушаются за счет теплового движения. При охлаждении до 183 К для ВаТiO3 наблюдается второй фазовый переход и ячейка из тетрагональной превращается в ромбическую (Рис.2.2.2, в), а при температуре ниже 183 К - фазовый переход, при котором ячейка превращается в моноклинную или триклинную. (Рис.2.2.2, г) Но эти фазовые переходы не разрушают доменную структуру, хотя векторы спонтанной поляризации изменяют свое направление. В тетрагональной ячейке, слабо отличающейся от кубической, отношение осей с/а = 1,01 и вектор спонтанной поляризации направлен вдоль оси с. Ниже 273 К для ромбической решетки вектор спонтанной поляризации направлен вдоль диагонали элементарной ячейки. После следующего фазового перехода вектор спонтанной поляризации направлен вдоль объемной диагонали.
В тетрагональной ячейке ВаТiO3 сегнетоэлектрическая ось направлена вдоль оси с. Перпендикулярное ей направление обозначают через а. Диэлектрическая проницаемость является тензором, и для ВаТiO3 наибольшие изменения в районе фазовых переходов наблюдаются для компонента ?a (рис.2.2.4). Но в точке Кюри ?a и ?c сливаются, т.е. наблюдается равенство этих компонентов.
Рис.2.2.4 Температурная зависимость диэлектрической проницаемости BaTiO3, измеренная в направлении сегнетоэлектрической оси с и перпендикулярной ей оси а
Данную зависимость для титаната бария нельзя рассматривать как типичный график для компонентов тензоров ? в любых сегнетоэлектриках. Для сегнетовой соли, имеющей две точки Кюри (при 255 К и 296 К), между которыми наблюдается спонтанная поляризация, сегнетоэлектрической осью является ось а моноклинной структуры. Только вдоль этой оси и обнаруживаются сегнетоэлектрические свойства NaKC4H4O64H2O. В направлении же