IV.2.3. Сегнетоелектрики.

СИГНЕТОЕЛЕКТРИКИ - матеріали, володіючи спонтанною поляризацією, напрямок якої може бути кероване зовнішнім полем.

IV.2.3.А. Класифікація сегнетоелектриків.

По типу хімічного зв'язку і фізичним властивостям сегнетоелектрики поділяють на:

ІОННІ КРИСТАЛИ - структурний елемент кисневий октаідер:

§ Титанат барію - BaTiO₃; ниобат калію - KNbO₃;

§ Титанат свинцю - PbTiO₃; ніобат літію - LiNbO₃;

§ Танталат літію - LiTaO₃; йодат калію -KIO₃;

§ Барієво-натрієвий ніобат (БАНАН) - Ba₂NaNb₅O₁₅.

Дані матеріали нерозчинені в воді, володіють значною механічною тривкістю, високою температурою Кюрі.

ДИПОЛЬНІ КРИСТАЛИ - структурний елемент - готові полярні групи атомів, здатні займати різноманітні положення рівноваги:

§ Сигнетова сіль - NaKC₄H₄O₆*4H₂0;

§ Триглицинсульфат - (NH₂CH₂COOH) ₃*H₂SO₄;

§ Дигидрофосфат калію – KH₂PO₄;

§ Нітрид натрия - NaNO₂.

Саме у цих матеріалів яскраво висловлена - СПОНТАНА ПОЛЯРІЗАЦІЯ, вони розчинені в воді, володіють незначною механічною тривкістю (їх можна розпилити вологою ниттю), низькою температурою Кюрі.

IV.2.3.Б. Опис і властивості сегнетоелектриків.

Сигнетодіелектрики - матеріали, в основному мають ДОМЕННУ структуру, в відсутності зовнішніх полів. ДОМЕН - макроскопічна зона, що володіє свавільною (спонтанною) поляризацією (орієнтація доменів вздовж структури), що виникає під чинністю внутрішніх процесів в діелектрику. Якщо кристал достатньо малий, то він може мати 1 домен. Великі зразки розбиті на безліч доменів, відносна орієнтація яких, визначена симетрією кришталевої решітки.

Приклад: тетрагональна модифікація титанату барію – BaTiO₃.

Тут можливо шість напрямків спонтанної поляризації: антипаралельних і перпендикулярних друг до друга. Для даного випадку розрізняють 180⁰С і 90⁰С - градусні домені межі. Причому проекції векторів поляризації сусідніх доменів, зустрічні і рівні, тобто і електричні моменти орієнтовані в взаємозворотньому напрямку, а загальна енергетична система знаходиться в стані рівноваги. Лінійні розміри доменів 10^-4¸10^-1см.

Зовнішнє електричне поле змінює напрямку електричних моментів доменів, що створює ефект сильної поляризації, виникає велике значення діелектричної проникності - сотні тисяч. ДОМЕННА ПОЛЯРІЗАЦІЯ - народження і зростання нових доменів за рахунок зміщення меж між ними. В підсумку виникає переорієнтація вектору поляризації вздовж зовнішнього поля. Доменна будівля викликає нелінійну залежність електричної індукції від напруженості електричного поля.

Характерні точки графіку:

ОА - ділянка флуктуації - зворотного зміщення доменних меж, в наслідок впливу слабкого електричного поля;

АВ - ділянка необоротного зміщення доменних меж, внаслідок впливу сильного електричного поля , що виникає.

Домени розростаються, за рахунок зміщення меж.

В точці В - всі домени орієнтовані вздовж поля з наступом стану - технічного насичення. При зниженні Е->0, індукція прийме остаточне значення Dr. Напруженість поля Ес - при якій індукція переходить в нуль - коерцитивна сила.

Діелектричний гістерезис - необоротне зміщення доменних меж під чинністю електричного поля і свідчить про додатковий механізм втрат, зв'язаних з затратами енергії на орієнтацію доменів. Внаслідок цього сегнетодіелектрики володіють більшим тангенсом куту діелектричних втрат tg@=0,1. Наявність гистерезису і нелинійности поляризації по відношенню до зовнішнього поля зумовлюють залежність діелектричної проникності і ємності матеріалу від режиму робіт.

Для характеристики властивостей матеріалу, який працює в якості нелінійного елементу, використають поняття:

§ статична;

§ реверсивна;

§ ефективна;

§ початкова проникність.

Статична проникність - визначається по кривою поляризації:

Реверсивна проникність eр - характеризує модифікацію поляризації сегнетоелектрику в змінному електричному полі при впливі постійного поля.

Ефективна проникність e эф - визначають по діючому значенню струму I (несинусоїдального), що минає в ланцюзі з нелінійним елементом, при заданій діючий напрузі U з наріжною частотою W:

Початкова проникність eпоч - визначають в дуже слабких електричних полях.

Специфічні властивості сегнетодиелектриків виявляються тільки в певному діапазоні температур. В процесі нагріву вище деякого значення температури, відбувається розпад доменної структури і перехід в пароелектричний стан. Температура фазового переходу в такий стан Тк - сигнетоелектрична точка Кюрі (даний процес супроводжується:e->max; полярізуємість -> зникає; tg@ - різко знижується-> 0, зникають втрати.

IV.2.3.Г.1. Конденсаторна сегнетокераміка.

§ Матеріали зі слабко висловленою температурною залежністю діелектричної проникності, матеріал "Т=900".

§ Матеріали зі заглаженою залежністю діелектричної проникності від температури, матеріал "СМ-1";

§ Матеріали з максимальним значенням діелектричної проникності в певному інтервалі температур, матеріал "Т=8000".

Характеристики матеріалів:

§ Т=900 - представляє собою твердий розчин титанатів: & стронцію – SrTiO₃; & вісмуту - Bi₄Ti₃O₁₂. Діелектрична проникність emax. => f (tКЮРІ=-140⁰C). Робочий діапазон температур значно вище >> tКЮРІ.

§ СМ-1 виробляють на основі титанату барію з додатком окислів цирконію і вісмуту - застосуємо для виробництва малогабаритних конденсаторів на малі напруги.

§ Т=8000 - представляє собою твердий розчин титанату і цирконата барію – BaTiO₃ і – BaZrO₃. Діелектрична проникність emax. => f (tКЮРІ=20⁰C) - в області кімнатній температури. Застосуємо для виробництва малогабаритних конденсаторів, працюючих при кімнатній температурі, на різні напруги.

IV.2.3.Г.2. Матеріали для варикондів

Застосовують для виготовлення нелінійних конденсаторів, що управляють параметрами електричних ланцюгів за рахунок модифікації їхньої ємності, при впливі одного або декількох напружень, відмінних по амплітуді і частоті. Основна характеристика їх - К - коефіцієнт нелинійности. Він визначається:

Основною кришталевої фази в таких матеріалах є тверді розчини систем:

& Ba(Ti, Sn)O₃; & Pb(Ti, Zr, Sn)O₃.

Нелінійні елементи виробляються в тонко плівковому виконанні для приладів:

§ параметричних підсилювачів;

§ низькочастотних підсилювачів потужності;

§ фазообертачів;

§ помножувателів частоти;

§ модуляторів;

§ стабілізаторів напруги;

§ фільтрів, що управляються, і т. ін..