|
|
 |
|
Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии
|
Общий каталог эффектов
 | Сегнетоэлектричество |
 |
Сегнетоэлектричество
Описание
Сегнетоэлектричество -совокупность электрических свойств, характерных для группы диэлектриков, называющихся сегнетоэлектриками.
Диэлектрик (изолятор) — вещество, плохо проводящее или совсем не проводящее электрический ток. Плотность свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 108 см-3. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле
К сегнетоэлектрикам относятся кристаллические диэлектрики со следующими свойствами:
-
В сегнетоэлектрических кристаллах существует спонтанная поляризация в отсутствии внешнего поля. Такое состояние кристаллов называется полярным (или сегнетоэлектрическим) состоянием. Величина спонтанной поляризации для различных сегнетоэлектриков лежит в интервале 10-7-10-5 Кл/см2. В обычных щелочно галоидных кристаллах столь большие значения индуцированной поляризации могут быть достигнуты в полях 107-108 В/м.
-
При нагреве кристалла выше точки Кюри (некое значение температуры) кристалл из полярного состояния переходит в неполярное состояние, т.е такое , когда спонтанная поляризация равна нулю. Некоторые кристаллы находятся в полярном состоянии в определенной области температур, поэтому они характеризуются также нижней точкой Кюри. Кристалл в неполярном состоянии является обычным диэлектриком .
-
В области фазового перехода происходит резкое изменение величины спонтанной поляризации и диэлектрической проницаемости (Диэлектрическая проницаемость - величина, характеризующая диэлектрические свойства среды — её реакцию на электрическое поле. В соотношении D = eЕ, где Е - напряженность электрического поля, D - электрическая индукция в среде, Диэлектрическая проницаемость - коэффициент пропорциональности e. В большинстве диэлектриков при не очень сильных полях диэлектрическая проницаемость не зависит от поля Е. Сегентоэлектрики характеризуются высоким значением диэлектрической проницаемости, сильно зависящей от температуры).
-
В полярном состоянии кристалл сегнетоэлектрика имеет доменную структуру. Домены представляют собой микроскопические области, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, которая возникает под влиянием внутренних процессов в диэлектрике. Направление электрических моментов у разных доменов различно. Следствием доменной структуры является гистерезисная зависимость (о которой подробнее расказывается далее) между электрической индукцией и полем и между поляризацией кристалла и полем.
Полный дипольный момент кристалла определяется суммой моментов доменов. Поэтому в отсутствии внешнего поля поляризация доменов скомпенсирована и в целом равна нулю. При включении поля, достаточно слабого, чтоб переориентировать диполи,направленные против поля, кристалл ведет себя как линейный диэлектрик (рисунок 1, участок оа). При дальнейшем увеличении напряженности, полный момент образца меняется за счет смещения доменных границ, а также зарождения и роста новых доменов. В результате действия этих механизмов, скорость роста Р(Е) увеличивается (рисунок 1, участок аb) и, наконец, когда весь кристалл перейдет в состояние с направлением поляризации вдоль Е, наступает участок насыщения (рисунок 1, участок bc), на котором рост Р(Е) происходит за счет индуцированной поляризации. Рs – величина спонтанной поляризации образца . При уменьшении поля и дальнейшем увеличении обратного поля изменение Р(Е) идет по кривой bdfg, лежащей выше начального участка кривой, так как смещение доменных границ и рост новых доменов задерживается.При полном цикле изменения поля в прямом и обратном направлении, кривая описывает замкнутую петлю гестерезиса. Поле Ес, которое надо приложить, чтоб уменьшить Р до нуля, называется коэрцитивным полем. Величина его зависит от температуры,частоты поля, толщины и качества кристалла. Рr - остаточная поляризация.
Гистерезисная зависимомсть P(Е)
Рис.1
Возникновение спонтанной поляризации в сегнетоэлектриках связано со структурными изменениями при переходе через точку Кюри. По типу фазового перехода сегнетоэлектрические кристаллы можно подразделить на 2 группы:
К первой группе относятся те, которые претерпевают переход типа «смещения». При таком переходе спонтанная поляризация возникает за счет смещения ионов одной подрешетки относительно другой (титанат бария рис. 2)
Структура титаната бария.
Рис.2. а – кубическая ячейка неполярной фазы; б – перестройка структуры титаната бария при фазовом переходе из неполярной в полярную фазу при Тс = 393К. смещения атомов d1 = -0,09*10-8 см, d2 = +0,05*10-8 см. d3 = -0,05*10-8 см; в – кубическая элементарная ячейка, стабильная при Т>Тс(температура Кюри); г – деформация кубической ячейки при переходе в другую фазу при Т<393К.
При смещении возникает электрический диполь и, следовательно, спонтанная поляризация.
Ко второй группе относятся сегнетоэлектрики с фазовым переходом типа «порядок -беспорядок». В этом случае спонтанная поляризация возникает в результате упорядочивания водородных связей (водородная связь – это слабая связь, возникающая между электроотрицательными атомами молекулы и электроположительным ядром водорода Н, который связан ковалентно с другим электроотрицательным атомом той же соседней молекулы) в группах ионов или самих ионных групп в элементарной ячейке кристалла. (дигидрофосфат калия, сегнетова соль)
В настоящее время известно более ста веществ, обладающих сегнетоэлектрическими свойствами . Наиболее хорошо известны кристаллы сегнетовой соли, дигидрофосфата калия и титаната бария. Характеристические параметры которых приведены в табл.1:
Характеристические параметры некоторых сегнетоэлектриков
| Наименование |
Температура Кюри, Тс, К |
Спонтанная поляризация, Рs, 10-6 Кл/см2 |
| Сегентова соль |
297(верхняя) 255(нижняя) |
0,25 (268 К) |
| Дигидрофосфат калия |
123 |
4,75 (96 К) |
| Титанат бария |
393 |
26 (296 К) |
Табл.1
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
Сегнетоэлектрические материалы широко изучались в перспективе разнообразных применений. Достаточно привести лишь несколько примеров. Большая диэлектрическая проницаемость вблизи температуры Кюри (например, в BaTiO3) представляет интерес с точки зрения применения в многослойных конденсаторах. Ниобат лития (LiNbO3), обладающий большими электрооптическими коэффициентами — наилучший материал для интегральных оптических модуляторов и дефлекторов. Тонкие пленки из цирконата-титаната свинца и лантана (PLZT) активно изучаются с целью создания энергозависимых микроэлектронных ЗУ с применением кремниевой технологии. (Бистабильная поляризация — идеальная основа для двоичных ячеек памяти.) Кристалл КН2РО4 широко применяется для удвоения оптической частоты лазера. Из триглицинсульфата (TGS) изготавливаются фотоприемники для инфракрасной области спектра.
Реализации эффекта
Сегнетоэлектрическое оперативное запоминающее устройство (Рисунок 1).
Микросхемы сегнетоэлектрического ОЗУ сочетают в себе свойства статического ОЗУ и энергонезависимого хранения данных. Однако технологии производства этих двух типов запоминающих устройств коренным образом различаются, что и определяет различные особенности работы и различные области применения.
Сегнетоэлектрический эффект состоит в способности отдельных материалов сохранять состояние электрической поляризации при отсутствии внешнего электрического поля. Устойчивая поляризация возникает в результате ориентации внутренних электрических диполей в сегнетоэлектрическом материале под действием внешнего электрического поля. Приложение внешнего электрического поля с напряженностью, превышающей определенное пороговое значение, приводит к ориентации внутренних электрических диполей. Изменение направления внешнего поля на обратное приводит к соответствующей переориентации внутренних диполей. Поскольку для поддержания поляризованного состояния материала не требуется наличия внешнего электрического поля, сегнетоэлектрическая ячейка может использоваться для хранения двоичных данных даже при отсутствии электропитания.
Данные, сохраненные в сегнетоэлектрической ячейке запоминающего устройства, могут быть прочитаны при приложении электрического поля к конденсатору. Если направление электрического поля совпадает с ориентацией электрических диполей в ячейке, то через конденсатор протекает определенный заряд. В случае же противоположной ориентации диполей часть энергии уходит на изменение состояния поляризации, что приведет к изменению протекающего заряда. Входящий в состав микросхемы зарядочувствительный усилитель измеряет протекающий заряд и устанавливает на соответствующем выходе сигнал логического 0 или 1.
Поскольку чтение данных связано с принудительной установкой определенного состояния поляризации, то цикл чтения разрушает информацию, сохраненную в ячейке памяти. Поэтому после чтения необходимо восстановить исходные данные. Это осуществляется встроенными цепями регенерации. Цикл регенерации осуществляется аппаратно после каждого чтения и не требует никакого дополнительного управления.
Сегентоэлектрическое ОЗУ
Рис.1
Литература
1. Киренский Л. В., Магнетизм, 2 изд., M., 1967;
2.Вонсовский С. В., Современное учение о магнетизме, М.- Л., 1952;
3.А.Г.Костюрина., С.А.Бордзиловский.,В.В.Максимов.,О.Е.Терешенко., Лабораторный практикум "Электричество и магнетизм",Новосибирск., 2006;
