СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ

СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ, кристаллические диэлектрики, обладающие в определённом интервале темп-р спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, к-рая существенно изменяется под влиянием внеш. воздействий. Электрич. свойства С. во многом подобны магнитным свойствам ферромагнетиков (отсюда назв. ферроэлектрики, принятое в зарубежной лит-ре). К числу наиболее исследованных и используемых на практике С. относятся титанат бария, сегнето-ва соль (давшая назв. всей группе кристаллов), триглицинсульфат, дигидрофосфат калия и др. (см. табл.). Известно несколько сотен С.

Рис. 1. Схематическое изображение элементарной ячейки пироэлектрика. Стрелки указывают направления электрических дипольных моментов.

Наличие спонтанной поляризации, т. е. электрич. дипольного момента в отсутствии электрич. поля,- отличит. особенность более широкого класса диэлектриков, наз. пироэлектриками. В отличие от других пироэлектриков, монокристал-лич. С. "податливы" по отношению к внеш. воздействиям: величина и направление спонтанной поляризации могут сравнительно легко изменяться под действием электрич. поля, упругих напряжений, лри изменении темп-ры. Это обусловливает большое разнообразие эффектов, наблюдающихся в С. Для других пироэлектриков изменение направления поляризации затруднено, т. к. требует радикальной перестройки структуры кристалла (рис. 1). Электрич. поля, к-рые могли бы осуществить такую перестройку в пироэлектриках, существенно выше пробивных полей (см. Пробой диэлектриков). В отличие от др. пироэлектриков, спонтанная поляризация С. связана с небольшими смещениями ионов по отношению к их положениям в неполяризованном кристалле (рис. 2).

Рис. 2. Схематическое изображение элементарной ячейки сегнетоэлектрика в полярной фазе (а и б) и в неполярной фазе (в); стрелки указывают направление электрических дипольных моментов.

Характеристики некоторых сегнетоэлектриков

Кристалл

Формула

Точка Кюри Т_с, °С

Макс. спонтанная поляризация Рs,

мкк • см-²

Точечные группы симметрии*

неполярная фаза

полярная фаза

Титанат бария 

ВаТiOз

133

25

m3m

4тт

Сегнетова соль 

КNаС₄H₄О₆ • 4Н₂О

-18; 24

0,25

222

2

Триглицинсульфат .

(NН₂СН₂СООН)з •H₂SO₄

49

2,8

2 т

2

Дигидрофэсфат калия

КН₂Р0₄

-150

5,1

42 т

тт2

Дидейтерофэсфат калия

KD₂PO₄

-51

6,1

42 т

тт2

Фторбериллат аммония

(NH₄)₂BeF₄

-97

0,15

ттт

тт2

Молибдат гадэлиния

Cd₂(MoO₄)₃

159

0,18

42т

тт2

Ниобат лития 

LiNbO₃

1210

50

3 т

Зт

Титанат висмута 

Bi₄Ti₃O₁₂

675

4/ттт

т

* Обозначения групп симметрии см. в ст. Симметрия кристаллов.

Обычно С. не являются однородно поляризованными, а состоят из доменов (рис. 3) - областей с различными направлениями спонтанной поляризации, так что при отсутствии внешних воздействий суммарный электрич. дипольный момент Р образца практически равен нулю. Рис. 4 поясняет причину образования доменов в идеальном кристалле. Электрич. поле, созданное спонтанной поляризацией одной части образца, воздействует на поляризацию другой части так, что энергетически выгоднее противоположная поляризация этих двух частей. Равновесная доменная структура С. определяется балансом между уменьшением энергии электростатич. взаимодействия доменов при разбиении кристалла на домены и увеличением энергии от образования новых доменных границ, обладающих избыточной энергией.

Рис. 3. Микрофотография доменов сегнетовой соли, полученная с использованием поляризованного света. Тёмные и светлые области отвечают доменам с противоположными направлениями спонтанной поляризации.

Число различных доменов и взаимная ориентация спонтанной поляризации в них определяются симметрией кристалла. Конфигурация доменов зависит от размеров и формы образца, на неё влияет характер распределения по образцу дефектов в кристаллах, внутр. напряжений и др. неоднородностей, неизбежно присутствующих в реальных кристаллах.

Наличие доменов существенно сказывается на свойствах С. Под действием электрич. поля доменные границы смещаются так, что объёмы доменов, поляризованных по полю, увеличиваются за счёт объёмов доменов, поляризованных против поля. Доменные границы обычно "закреплены" на дефектах и неоднородностях в кристалле, и необходимы электрич. поля достаточной величины, чтобы их перемещать по образцу. В сильном поле образец целиком поляризуется по полю -становится однодомённым. После выключения поля в течение длительного времени образец остаётся поляризованным. Необходимо достаточно сильное электрич. поле противоположного направления, наз. коэрцитивным, чтобы суммарные объёмы доменов противоположного знака сравнялись.

В сильном поле происходит полная переполяризация образца. Зависимость поляризации Р образца от напряжённости электрич. поля Е нелинейна и имеет вид петли гистерезиса.

Сильное изменение поляризации образца под действием электрич. поля за счёт смещения доменных границ обусловливает тот факт, что диэлектрич. проницаемость Е многодоменного С. больше, чем однодомённого. Значение е(эпсилон) тем больше, чем слабее закреплены доменные границы на дефектах и на поверхности кристалла.

Рис. 4. Взаимодействие электрического поля Е одной части образца со спонтанной поляризацией другой его части.

Рис. 5. Зависимость Рs(Т) и е(эпсилон)(Т) для триглицинсульфата. Индексы а, Ь, с соответствуют направлению вдоль трёх кристаллографических осей. Спонтанная поляризация возникает вдоль оси б.

Величина е(эпсилон) в С. существенно зависит от напряжённости электрич. поля, т. е. С. обладают нелинейными свойствами.

При нагревании С. спонтанная поляризация, как правило, исчезает при определённой темп-ре Т_с, наз. точкой Кюри, т. е. происходит фазовый переход С. из состояния со спонтанной поляризацией (полярная фаза) в состояние, в к-ром спонтанная поляризация отсутствует (неполярная фаза). Фазовый переход в С. состоит в перестройке структуры кристалла (в отличие от магнетиков). В разных С. Т_ссильно различаются (см. табл.).

Величина спонтанной поляризации Рs, обычно сильно изменяется с темп-рой вблизи фазового перехода. Она исчезает в самой точке Кюри Т_с либо скачком (фазовый переход 1-го рода, напр. в титанате бария), либо плавно уменьшаясь (фазовый переход 2-го рода, напр. в сегнетовой соли). Существенную температурную зависимость, как в полярной, так и в неполярной фазах, испытывает диэлектрич. проницаемость е, а также нек-рые из упругих, пьезоэлектрич. и др. констант С. Резкий рост е с приближением к точке Кюри (рис. 5)

связан с увеличением "податливости" кристалла по отношению к изменению поляризации, т. е. к тем смещениям ионов, к-рые приводят к изменению структуры при фазовом переходе.

Возникновение поляризации при переходе С. в полярную фазу может быть вызвано либо смещением ионов (фазовый переход типа смещения, напр. в титана-те бария, рис. 2), либо упорядочением ориентации электрич. диполей, существовавших и в неполярной фазе (фазовый переход типа порядок - беспорядок, напр. в дигидрофосфате калия). В нек-рых С. спонтанная поляризация может возникать как вторичный эффект, сопровождающий перестройку структуры кристалла, не связанную непосредственно с поляризацией. Такие С., наз. несобственными (напр., молибдат гадолиния), обладают рядом особенностей: s слабо зависит от Т, в точке Кюри значение е(эпсилон) невелико, и др.

В области фазового перехода наблюдаются изменения и в фононном спектре кристалла (см. Колебания кристаллической решётки). Они наиболее чётко выражены для переходов типа смещения. Частота одного из оптич. колебаний кристаллич. решётки существенно падает при приближении к Т_с, особенно, если этот фазовый переход 2-го рода.

Все С. в полярной фазе являются пье-зоэлектриками (см. Пьезоэлектричество). Пьезоэлектрич. постоянные С. могут иметь сравнительно с др. пьезоэлектри-ками большие значения, что связано с большими величинами е. Большие значения имеют также пироэлектрич. постоянные С. из-за сильной зависимости Рs(Т). Сегнетоэлектрич. свойствами обладают нек-рые полупроводники и магнитоупорядоченные вещества. Сочетание различных свойств приводит к новым эффектам, напр. магнитоэлектрическим. В нек-рых диэлектриках при фазовом переходе с изменением кристаллич. структуры спонтанная поляризация не возникает, но наблюдаются, однако, диэлектрич. аномалии, сходные с аномалиями при сегнетоэлектрич. переходах: заметное изменение е, а также двойные петли гистерезиса. Такие диэлектрики часто наз. антисегнетоэлектриками, хотя наблюдаемые свойства, как правило, не связаны с исторически возникшими представлениями об антипараллельных дипольных структурах.

Сегнетоэлектрич. материалы (монокристаллы, керамика, плёнки) широко применяются в технике и в науч. эксперименте. Благодаря большим значениям Е их используют в качестве материала для конденсаторов высокой удельной ёмкости. Большие значения пьезоэлект-рич. констант обусловливают применение С. в качестве пьезоэлектрических материалов в приёмниках и излучателях ультразвука, в преобразователях звуковых сигналов в электрические и наоборот, в датчиках давления и др. Резкое изменение сопротивления вблизи темп-ры фазового перехода в нек-рых С. используется в позис торах для контроля и измерения темп-ры. Сильная температурная зависимость спонтанной поляризации (большая величина пироэлектрич. константы) позволяет применять С. в приёмниках электромагнитных излучений переменной интенсивности в широком диапазоне длин волн (от видимого до субмиллиметрового). Благодаря сильной зависимости е(эпсилон) от электрич. поля С. используют в нелинейных конденсаторах (варикондах), к-рые нашли применение в системах автоматики, контроля и управления. Зависимость показателя преломления от поля обусловливает использование С. в качестве электрооптических материалов в приборах и устройствах управления световыми пучками, включая визуализацию инфракрасного изображения. Перспективно применение С. в устройствах памяти вычислит. машин, дистанционного контроля и измерения темп-ры и др.

Лит.: Ионаф., Шираке Д., Сегнетоэлектрические кристаллы, пер. с англ., М., 1965; Фейнман Р., Лэйтон Р., С э н д с М., фейнмановскне лекции по физике, [пер. с англ.], т. 5, М., 1966; Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики, Л., 1971; Жёлудев И. С., Основы сегнетоэлект-ричества, М., 1973.

А. П. Леванюк, Д. Г. Санников.