Сегнетоэлектрики, их свойства и применение
ГК РФ ВО
СГТУ
КАФЕДРА ЭМС
РЕФЕРАТ
На тему:
Сегнетоэлектрики, их свойства и применение
Выполнил: студент ЭМС-22
Шишкин П. В.
Проверила: Котина Н. М.
Саратов 1998
Содержание TOC o "1-3"
Реферат GOTOBUTTON _Toc437595464а а
1. Введение GOTOBUTTON _Toc437595465а а
2. Аналитический обзор GOTOBUTTON _Toc437595466а а
3. Основная часть GOTOBUTTON _Toc437595467а а
3.1 Получение керамики GOTOBUTTON _Toc437595468а а
3.2 Основные свойств GOTOBUTTON _Toc437595469а а
3.3 Применение GOTOBUTTON _Toc437595470а а
4. Заключение GOTOBUTTON _Toc437595471а а
5. Литератур GOTOBUTTON _Toc437595472а а
Реферат
Ключевые слова: сегнетоэлектричество, поляризация, гистерезис, домены, фаза, переход, монокристалл, керамика, конденсаторы, память, нелинейность, оптика.
Цель работы:а исследование методов получения, свойств, областей применения сегнетоэлектриков.
1. Введение
Сегнетоэлектриками называются вещества, обладающие спонтанной электрической поляризацией, которая может быть обращена приложением электрического поля E подходящей величены и определенного направления. Этот процесс, называемый переполяризацией, сопровождается диэлектрическим гистерезисом. Сегнетоэлектрики во многих отношениях являются электрическим аналогами ферромагнетиков, в которых намагниченность I может быть обращена магнитным полем H. Однако по своей микроскопической природе сегнетоэлектрики и ферромагнетики совершенно различны.
Сегнетоэлектрики отличаются большой диэлектрической проницаемостью, высоким пьезомодулем, наличием петли диэлектрического гистерезиса, интересными электрооптическими свойствами, и поэтому широко применяется во многих областях современной техники: радиотехнике, электроакустике, квантовой электронике и измерительной технике.
Сегнетоэлектрики обладают интересными электрическими свойствами; во многих твердых телах силы связи носят главным образом электрический характер, и тот факт, что в сегнетоэлектриках эти силы могут проявляется весьма ярко, существенно облегчает их изучение,
В термине сегнетоэлектрики нашел свое отражение тот факт, что первые сегнетоэлектрические свойства были обнаружены у сегнетовой соли. Позднее, однако, выяснилось, что сегнетова соль является не типичным сегнетоэлектрическим кристаллом.
Сегнетоэлектрики являются твердыми телами, причем все они неметаллы. Свойства сегнетоэлектриков проще всего изучать, если вещество находится в монокристаллическом состоянии.
Изучение свойств ферромагнетиков, известных с глубокой древности, началось примерно с 1600г; в дальнейшем исследования Вебера и Эвинга привели же в 1907г к известной теории Вейса. Сегнетоэлектричество же было открыто лишь в 1921г Валашеком в сегнетовой соли. В настоящее время известно же более 700 веществ, обладающих сегнетоэлектрическими свойствами.
Тремя наиболее яркими особенностями сегнетоэлектриков являются обратимая поляризация, ланомальные свойства и нелинейности. Большинство сегнетоэлектриков перестает быть сегнетоэлектриками выше некоторой температуры ТK, называемой температурой перехода. Аномальное поведение вблизи ТK, вероятно не менее важно, чем обратимая поляризация, но оно не является достаточным определением сегнетоэлектрика. При температуре ТK диэлектрическая проницаемость резко возрастает до весьма больших значений; именно эти большие значения в окрестности ТK называют аномальными значениями.
2. Аналитический обзор
Классифицировать сегнетоэлектрики можно по разным признакам. Наиболее распространена классификация сегнетоэлектриков в соответствии со структурой и связанной с ней механизмом возникновения спонтанной поляризации при фазовом переходе. По этому признаку они подразделяются на сегнетоэлектрики типа смещения, у которых переход в сегнетоэлектрическую фазу связан со смещением ионов, и сегнетоэлектрики типа лпорядок-беспорядок, у которых при переходе в сегнетоэлектрическую фазу происходит упорядочение имевшихся в исходной фазе диполей.
Сегнетоэлектрики типа смещения подразделяются на две основные группы: группу перовскита и группу псевдоильменита.
Сегнетоэлектрики группы перовскита могут существовать в виде монокристаллов или керамики. Характерная особенность структуры кристаллов этой группы - наличие кислородного октаэдра, внутри которого располагается 4- или 5- валентный ион Ti, Zr, Nb или другой ион с малым ионным радиусом. В параэлектрической фазе кристаллы этой группы имеют кубическую структуру. В вершинах куба располагаются ионы Ba,
3-SrTiO3,
3-
3. Это позволяет создавать керамику с заданными свойствами для многочисленных устройств: пьезопреобразователей, пьезоприводов, пьезодвигателей, позисторов, варикондов и др.
Сегнетоэлектрики группы псевдоильменита имеют ромбоэдрическую структуру. Характерная особенность кристаллов группы псевдоильменита - высокая температура Кюри. Эти кристаллы наиболее широко применяются в акустических стройствах на поверхностных объемных волнах: пьезопреобразователях, полосовых фильтрах, резонаторах, линиях задержки, ВЧ акустооптических модуляторах; они применяются также в стройствах нелинейной оптики и электроники и в пироприемниках.
Сегнетоэлектрики типа порядок - беспорядок делятся на три основные группы: группу дигидрофосфата калия (KDP) Ч дигидрофосфаты и дигидроарсенаты щелочных металлов (KH2PO4,
2PO4, KH2AsO4, RbH2AsO4, CsH2AsO4) и их дейтриевые аналоги; группу триглицинсульфата (ТГС) - (NH2CH2COOH3)×H2SO4; жидкокристаллические сегнетоэлектрики. порядочивающимися элементами структуры в сегнетоэлектриках группы KDR являются протоны (дейтроны) в водородных связях. Возникновение спонтанной поляризации связано с тем, что положения всех протонов становятся порядоченными. Основные применения этой группы кристаллов Ч в стройствах нелинейной оптики и электрооптики. Сегнетоэлектрические свойства кристаллов группы ТГС обусловлены порядочиванием протонов в водородных связях что приводит к возникновению диполей у молекул глицина и сульфатионов. Применяются в пироприемниках и мишенях пировидиконов.
Жидкокристаллические сегнетоэлектрики Ч широкий класс жидких кристаллов, содержащих порядочивающиеся полярные молекулы. Они обладают рядом электрических и оптических свойств, характерных для сегнетоэлектриков: резким фазовым переходом, сопровождающимся аномалиями тепловых, диэлектрических и оптических свойств; высокими значениями диэлектрической проницаемости (~ 102) и другими. Некоторые жидкокристаллические сегнетоэлектрики обнаруживают петли диэлектрического гистерезиса. Оптические свойства сильно зависят от температуры и направленности внешнего электрического поля; на этом основаны наиболее важные применения таких сегнетоэлектриков: оптические индикаторы, транспаранты, дисплеи и другие.
Ионные и дипольные сегнетоэлектрики существенно различаются по свойствам. Так, все соединения кислородно-октаэдрического типа нерастворимы в воде, обладают значительной механической прочностью, легко получаются в виде поликристаллов по керамической технологии. Наоборот, дипольные сегнетоэлектрики обладают высокой растворимостью в воде и малой механической прочностью. Например, растворимость сегнетовой соли в воде столь велика, что ее кристаллы можно распилить с помощью влажной нити. Благодаря высокой растворимости в воде можно легко вырастить крупные монокристаллы этих соединений из водных растворов.
3. Основная часть
3.1 Получение керамики
Слово лкерамика говорит о том, что это глиносодержащие материалы, но в настоящее время сюда входит ряд химических соединений, процесс получения керамических материалов из которых идет по методу порошковой металлургии, но несколько изменена последовательность этапов:
1-й этап Чтонкое измельчение входящих материалов до порошков. Этот процесс обычно осуществляется в шаровых мельницах.
2-й этап Ч пластификация массы. Вводят пластификаторы, которые бывают водорастворимые и расплавимые (поливиниловый спирт, парафин). Получают формовочный полуфабрикат.
3-й этап Ч формовка. Прессование в штампах.
4-й этап Ч отжиг. Низкотемпературный и высокотемпературный отжиг. При температуре больше 1300
Все керамические материалы имеют следующие фазы:
Кристаллическая фаза. Образуется при спекании керамики при взаимодействии глинозема с кварцевым песком. При этом образуются химические соединения или твердые растворы. Эта фаза формирует основные свойства керамики: механические свойства, диэлектрическую прочность, ТКЛР.
Стеклолитная фаза представляет собой прослойки стекла, связывающие между собой кристаллическую фазу. Такие прослойки образуются при расплавлении полевого шпата, при изготовлении керамики. Эта фаза формирует технологические свойства керамики: пористость, гигроскопичность; некоторые виды керамик (радиофарфор) не содержат стеклолитной фазы.
Газовая фаза Ч газы в закрытых порах. Количество их зависит от способа обработки керамической массы. Приводит к худшению свойств.
Сегнетоэлектрические керамики широко используются в технике. Рассмотрим процесс получения керамики на примере титаната бария. Титанат бария вместе с добавками
(если они нужны) сначала размельчают, после чего смесь выдавливают в форму и прессуют, причем это можно сделать как со связующим веществом, так и без него.
Затем следует процесс обжига при высокой температуре, например 1300
3.2 Основные свойства
Общие свойства
Многие свойства сегнетоэлектриков отличаются от свойств которых следовало бы ожидать для однородных материалов. Это обусловлено наличием доменов точно также, как в ферромагнетиках. Так, например, характер тока переключения тесно связан с поведением доменов. Домены имеются как в монокристалле, так и в кристаллах керамического образца. Сегнетоэлектрический домен представляет собой макроскопическую область, в которой направление спонтанной поляризации одинаково и отличается от направления спонтанной поляризации в соседних доменах.
Разделяющие доменные стенки могут перемещаться внутри монокристалла; при этом одни домены величиваются, другие меньшаются. Теоретически было рассчитано Ландауэром и другими, что в титанате бария необходимое для переполяризации монокристалла поле должно составлять около 200 кВ/см, однако практически переполяризация легко осуществляется в поле порядка 1 кВ/см, очевидно, благодаря тому, что в кристалле всегда присутствуют небольшие домены с обратным направлением поляризации. При переполяризации эти домены растут либо за счет перемещения доменных стенок, либо за счет некоторого сходного процесса.
В монокристалле относительная ориентация электрических моментов доменов определяется симметрией кристаллической решетки. Например, в тетрагональной модификации титаната бария (BaTiO3) возможны шесть направлений спонтанной поляризованности: антипараллельных или перпендикулярных друг другу. Соответственно для этого случая различают 180-градусные и 90-градусные доменные границы. Энергетически наиболее выгодной является такая структура, при которой обеспечивается электрическая нейтральность доменных границ, т. е. проекция вектора поляризации на границу со стороны одного домена должна быть равна по длине и противоположна по направлению проекции вектора поляризации со стороны соседнего домена. По этой причине электрические моменты доменов ориентируются по принципу голова к лхвосту. становлено, что линейные размеры доменов составляют от 10-4 до 10-1 см.
В поликристаллическом сегнетоэлектрике в каждом кристалле могут существовать несколько доменов. Различным направлениям поляризации соответствуют не только слегка отличающиеся положения некоторых ионов в элементарной ячейке, но часто также и различные изменения формы самой ячейки.
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). Доменная поляризация связана с процессами зарождения и роста новых доменов за счет смещения доменных границ, которые в итоге вызывают переориентацию вектора спонтанной поляризованности в направлении внешнего электрического поля.
Следствием доменного строения сегнетоэлектрикова является нелинейная зависимость их электрической индукции от напряженности электрического поля, показанная на рис. 1. При воздействии слабого электрического поля связь между D и Е носит приблизительно линейный характер (участок ОА). На этом частке преобладают процессы обратимого смещения (флуктуации) доменных границ. В области более сильных полей (область АВ) смещение доменных границ носит необратимый характер. При этом разрастаются домены с преимущественной ориентацией, у которых вектор спонтанной поляризации образует наименьший гол с направлением поля. При некоторой напряженности поля, соответствующей точке В, все домены оказываются ориентированными по полю. Наступает состояние технического насыщения. В монокристаллах состояние технического насыщения соответствует однодоменному состоянию. Некоторое возрастание индукции в сегнетоэлектрике на частке технического насыщения обусловлено процессами индуцированной (т. е. электронной и ионной) поляризации. Ее роль силивается с повышением температуры. Кривую ОАВ называют основной кривой поляризации сегнетоэлектрика (кривая заряда сегнетоэлектрического конденсатора).
Если в поляризованном до насыщения образце меньшить напряженность поля до нуля, то индукция в ноль не обратится, примет некоторое остаточное значение Dr. При воздействии полем противоположной полярности индукция быстро меньшается и при некоторой напряженности поля изменяет свое направление. Дальнейшее величение напряженности поля вновь переводит образец в состояние технического насыщения (точка С).
Отсюда следует, что переполяризация сегнетоэлектрика в переменных полях сопровождается диэлектрическим гистерезисом. Напряженность поля Ер, при которой индукция проходит через ноль, называется коэрцитивной силой.
Диэлектрический гистерезис обусловлен необратимым смещением доменных границ под действием поля и свидетельствует о дополнительном механизме диэлектрических потерь, связанных с затратами энергии на ориентацию доменов. Площадь гистерезисной петли пропорциональна энергии, рассеиваемой в диэлектрике за один период. Вследствие потерь на гистерезис сегнетоэлектрики характеризуются весьма большим тангенсом гла диэлектрических потерь, который в типичных случаях принимает значение порядка 0,1.
Совокупность вершин гистерезисных петель, полученных при различных значениях амплитуды переменного поля, образует основную кривую поляризации сегнетоэлектрика (см. рис. 1).
Для большинства сегнетоэлектриков диэлектрическая проницаемость велика даже при температурах, не слишком близких к TK.
Диэлектрическую проницаемость Выше температуры перехода ТK температурная зависимость диэлектрической проницаемости часто хорошо апроксимируется законом Кюри-Вейса: e<= 4
где С Ч константа Кюри. Ниже температуры перехода Нелинейность Нелинейность поляризации по отношению к полю и наличие гистерезиса обусловливают зависимость диэлектрической проницаемости и емкости сегнетоэлектрического конденсатора от режима работы. Для характеристики свойств материала в различных словиях работы нелинейного элемента используют понятия статической, реверсивной, эффективной и других диэлектрических проницаемостей. Статическая диэлектрическая проницаемость eст = D0Е) = 1
+ Р/( Реверсивная диэлектрическая проницаемость Эффективную диэлектрическую проницаемость eэф ~ Сэф
= I
Диэлектрическую проницаемость, измеряемую в очень слабых электрических полях, называют начальной. Специфические свойства сегнетоэлектриков проявляются лишь в определенном диапазоне температур. В процессе нагревания выше некоторой температуры происходит распад доменной структуры и электрик переходит в параэлектрическое состояние. Температура Тк такого фазового перехода получила название сегнетоэлектрической точки Кюри. В точке Кюри спонтанная поляризованность исчезает, а диэлектрическая проницаемость достигает своего максимального значения. Зависимость Некоторые свойства керамики отличаются от свойств соответствующих монокристаллов. Это связано с хаотической ориентацией кристаллитов, пористостью материала, также тем, что многие кристаллиты находятся в механически напряженном состоянии даже тогда, когда к материалу не приложено никакого внешнего напряжения. Изменения свойств,
вызванного наличием пор, обычно учитывается просто плотностью материала.
Например, если плотность кристалла титаната бария 6,0 г/см3, то плотность его керамики обычно составляет около 5,7 г/см3. Керамики обычно имеют такие же, как и у монокристаллов температуру перехода,
теплоемкость и константу Кюри ( с четом поправки на пористость ). В керамике титаната бария каждый кристаллит имеет по отношению к своим кристаллографическим осям шесть эквивалентных возможных направлений возможных направлений спонтанной поляризации; ориентация же самих кристаллитов хаотическая. В общем случае действительно реализующиеся направления спонтанной поляризации в керамике статистически равномерно распределены по шести казанным направлениям. Но это не всегда имеет место, так как специальной обработкой можно создать можно создать преимущественное направление поляризации, например приложив к изделию на подходящей стадии его приготовления (или даже к охлажденному изделию ) постоянное электрическое поле. Такой процесс называют поляризацией керамики. При этом в каждом кристаллите становится предпочтительным то из направлений спонтанной поляризации, которое ближе остальных к направлению поля. Однако этот процесс не может привести к столь же большой поляризации образца, как в случае монокристалла. Можно показать, что максимальная возможная поляризация керамического образца составляет 84% поляризации монокристалла титаната бария. Это значение практически никогда не достигается вследствие внутренних механических напряжений и пористости керамики; обычно поляризация составляет около 55% когда поле приложено, и меньше это значения, когда поляризующее поле снято. Значения пьезоэлектрических коэффициентов для керамики также ниже, чем для монокристалла, составляя после соответствующей поляризации около 25% значений для монокристалла. Легко видеть, что специфические словия, существующие в керамике сильно влияют на одни свойства кристалла и не влияют на другие. Например, полная поляризация
S является средней величиной по различным кристаллитам; если кристаллиты ориентированы хаотически, то эта средняя величина обращается в ноль. Аналогичный пьезоэффект будет мал, так как поле длиняет одни кристаллы и корачивает другие. Но диэлектрическая проницаемость может сильно и не изменяться, так как измерительное переменное поле в течение каждого полупериода будет величивать поляризацию в одних кристаллах и меньшать в других. Свойствами керамики в определенной степени можно правлять. Желательные изменения параметров можно получать, изменяя внутренние механические напряжения посредством изменения качества помола (размеров кристаллов) или с помощью различных процессов отжига. Для керамики титаната бария диэлектрическая проницаемость увеличивается с меньшением размера кристаллов. Добавки также могут изменять внутренние напряжения. Для понимания причин и природы спонтанной поляризации необходимо знание атомной структуры и ее изменений при фазовых переходах. Рассмотрим в качестве примера возникновение спонтанной поляризации в титанате бария (ВТ При температуре выше 120
Размеры элементарной ячейки больше двоенной суммы ионных радиусов титана и кислорода. Поэтому ион титана имеет некоторую свободу перемещения в пределах кислородного октаэдра. При высокой температуре вследствие интенсивного теплового движения ион титана непрерывно перебрасывается от одного кислородного иона к другому, так что средненное во времени его положение совпадает с центром элементарной ячейки. Благодаря центральной симметрии такая ячейка не обладает электрическим моментом. При температуре ниже ТК = 120
Взаимодействие между заряженными частицами соседних ячеек приводит к тому,
что смещение ионов титана происходит в них согласованно, в одном направлении, это, в свою очередь, приводит к образованию доменов. Рассмотренная схема образования спонтанной поляризации ВТ При зарождении новой (сегнетоэлектрической) фазы смещение ионов может происходить в направлении любого из ребер кубической элементарной ячейки.
Поэтому в тетрагональной модификации BaTiO3 возможны шесть направлений спонтанной поляризованности. Подобного рода фазовые переходы,
наблюдаемые в ионных сегнетоэлектриках, получили название переходов типа смешения. Однако появление спонтанной поляризации может происходить не только при смещении ионов, но и за счет порядочения в расположении дипольных групп,
занимающих в симметричной (параэлектрической) фазе с равной вероятностью несколько различных положений равновесия. Такой механизм образования сегнетоэлектрического состояния более характерен для дипольных кристаллов. В качестве типичных примеров можно казать кристаллы сегнетовой соли, нитрита натрия, триглицинсульфата дигидрофосфата калия и др. Фазовые переходы, связанные со спонтанным порядочением дипольных моментов, называют переходами типа порядок-беспорядок. В некоторых кристаллах электрические моменты соседних элементарных ячеек за счет соответствующего смещения ионов или порядочения дипольных моментов оказываются ориентированными во взаимно противоположных направлениях. Такие вещества с антипараллельными электрическими моментами называют антисегнетоэлектриками. Они также имеют доменное строение, однако спонтанная поляризованность каждого домена равна нулю. В параэлектрической фазе
(т. е. выше температуры Кюри) антисегнетоэлектрики могут обладать высокой диэлектрической проницаемостью. Примерами антисегнетоэлектриков являются цирконат свинца (PbZrO3),
ниобат натрия (NaNbO3) дигидрофосфат аммония (NH4H2P04)
и др. В техническом применении сегнетоэлектриков наметилось несколько направлений,
важнейшими из которых следует считать: 1)
изготовление малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой дельной емкостью; 2)
использование материалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и других правляемых стройств; 3)
использование сегнетоэлементов в счетно-вычислительной технике в качестве ячеек памяти; 4)
использование кристаллов сегнето- и антисегнетоэлектриков для модуляции и преобразования лазерного излучения; 5)
изготовление пьезоэлектрических и пироэлектрических преобразователей. Конденсаторная сегнетокерамика, как и любой диэлектрик, для производства обычных конденсаторов, должна иметь наибольшую величину диэлектрическойа проницаемости с малой зависимостью от температуры, незначительные потери, наименьшую зависимость 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 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-8. В материале Т-900 кристаллическая фаза представляет собой твердый раствор титанатов стронция (SrTiO3) и висмута (Bi4Ti3O12).
Максимум 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-8 имеет кристаллическую фазу, представляющую собой твердый раствор ВТ 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 правления 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 словиях определяется реверсивной диэлектрической проницаемостью Нелинейные диэлектрические элементы, обычно в тонкопленочном исполнении, являются основой разнообразных радиотехнических стройств - параметрических силителей,
низкочастотных силителей мощности, фазовращателей, множителей частоты,
модуляторов, стабилизаторов напряжения, правляемых фильтров и др. В качестве примера использования варикондов приведем принципиальную схему диэлектрического силителя, основанного на изменении емкости нелинейного конденсатора Свар
под влиянием поля входного сигнала Uвх,
обусловливающем изменение тока в нагрузке Iн. 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 меньшения 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 стройств 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 стойчивых состояния, соответствующих различным направлениям остаточной электрической индукции. Одно из этих состояний в запоминающей ячейке означает хранение единицы, 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 худшается 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 силивается с приближением к точке фазового перехода (точке Кюри). Таким образом, имеет 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 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 3 - 3 (ЦТС).
Эта керамика широко используется для создания мощных льтразвуковых излучателей в широком диапазоне частот для целей гидроакустики, дефектоскопии, механической обработки материалов. Такие льтразвуковые генераторы применяются также в химической промышленности для скорения различных процессов и в полупроводниковой технологии для эффективной промывки и обезжиривания полупроводниковых пластин с помощью льтразвуковой ванны. Из пьезокерамики делают малогабаритные микрофоны, телефоны, громкоговорители, слуховые аппараты,
детонаторы, различные стройства поджига в газовых системах. Пьезокерамические элементы можно использовать в качестве датчиков давлений, деформаций, скорений,
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 Ч сегнетоэлектрики, мы нашли, что их самое замечательное свойство состоит в том,
что в них существуют области одинаково направленной спонтанной поляризации Ч 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. Ч М.: Сов. Радио 1979 P.S. Защитился на пять в 1998 году. Сегнетоэлектрики с тех пор мало изменились J Можете написать отзыв о моей работе мне сюда.
P.S.S. Рис.1
восстанавливал после его случайного даления.Микроскопический механизм спонтанной поляризации.
3.3
Применение