Активные диэлектрики

Активными называются диэлектрики, свойствами которых можно управлять внешними энергетическими воздействиями и применять эти свойства для создания устройств функциональной электроники.

Активные диэлектрики позволяют осуществить генерацию, усиление, модуляцию электрических и оптических сигналов, а так же запоминание и преобразование информации различного рода.

К числу активных диэлектриков относят сегнето-, пьезо-, пироэлектрики, электреты, материалы квантовой электроники (лазерные материалы), жидкие кристаллы, электро-, акусто-, магнитооптические материалы.

Свойствами активных диэлектриков могут обладать не только кристаллические, но также жидкое и газообразные вещества (например, СО₂).

Строго деления между различными классами материалов здесь так же нет. Нельзя однозначно сказать, что данный диэлектрик является активным или пассивным, то есть, классификация условна. Одни и те же материалы в различный условиях могут относиться к различным группам.

Например, кристаллическая β-модификация SiO₂ – кварц, активный диэлектрик.

SrTiO₃ – пьезоэлектрик.

Сегнетоэлектрики

Это вещества, обладающие способностью к спонтанной поляризации, направление которой может изменяться под действием внешнего поля. Они имеют так называемую доменную структуру.

Домены – это макроскопические области, молекулы в которых спонтанно (от природы) ориентированы, и поэтому суммарный электрический момент каждого домена отличен от нуля (это области, которые поляризованы до насыщения). У всего объёма вещества в природе суммарный электрический момент может быть равен нулю, так как сегнетоэлектрик, не подвергавшийся воздействию электрического поля, состоит из множества доменов, направление поляризации которых различны.

Рисунок 43

В принципе, это кристаллические вещества, и если кристалл сегнетоэлектрика имеет малые размеры, то он может состоять из одного домена, размер которого колеблется от 10^-4 до 10^-1см. Однако природа стремится к минимуму энергии, который соответствует неполяризованному материалу. Следовательно, при выделении одного домена, он, как правило, разделяется на два с антипараллельной ориентацией электрических моментов.

Внешнее электрическое поле изменяет направление поляризации доменов, при этом происходит как бы разрастание доменов, изначально сориентированных по направлению воздействия поля, за счёт поглощения соседних. При приложении достаточно сильного электрического поля монокристалл сегнетоэлектрика переходит в однодоменное состояние. У поликристаллического тела смещению доменных границ препятствуют границы зёрен, но и поликристалл тоже переводится в квазиоднодоменное состояние.

Наличие спонтанной поляризации приводит к очень большим величинам диэлектрической проницаемости – до нескольких тысяч единиц. Как следствие – из них можно изготавливать малогабаритные конденсаторы очень большой ёмкости. Однако, под действием переменного электрического поля переполяризация в них происходит не сразу, в результате чего сегнетоэлектрики обладают петлёй гистерезиса.

Рисунок 44

где D – электрическая индукция,

Dr – величина остаточной индукции при внешнем электрическом поле, равном 0,

Е_с – коэрцитивная сила – напряжённость внешнего электрического поля, необходимая для компенсации внутреннего поля сегнетоэлектрика.

Это говорит о том, что потери энергии в результате переполяризация очень высоки. Следовательно, уместно использование только для диапазона низких частот.

Диэлектрический гистерезис обусловлен необратимым смещением границ под действием поля. Внутренняя ориентация сильнополярных молекул диэлектрика в доменах обусловлена взаимодействием электрически заряженных частей молекул. В процессе нагревания выше некоторой температуры происходит распад доменной структуры – сегнетоэлектрическая точка Кюри.

Известно несколько сотен веществ, обладающих такими свойствами. Причём точка Кюри у них от нескольких Кельвин (Pb₂Nb₂O₇ – 15К) до 1500К у LiNbO₃.

Название эта группа веществ получала от первого вещества, у которого были обнаружены подобные свойства – сегнетовой соли.

Сегнетоэлектрические свойства обнаруживаются у дипольных и оинных сильнополярных веществ.

Применение:

1. Изготовление малогабаритных НЧ конденсаторов с большой ёмкостью;

2. Использование большой нелинейности поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и других устройств;

3. Изготовление перезаписываемых устройств памяти;

4. Изготовление демодуляторов лазерного изслучения.

Пьезоэлектрики

Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризации даэлектрика под действием механических напряжений.

Рисунок 45

При воздействии силой F на гранях образуется электрический заряд Q:

Q=d∙F,

где d – пьезомодуль (характеристика вещества).

Пьезоэффект – явление обратимое. Если мы поместим данный материал в электрическое поле, то он изменит свои геометрические размеры – явление обратного пьезоэффекта. Причём направление изменения будет зависеть от полярности приложенного напряжения.

Пьезоэффект бывает либо параллельным (заряд возникает на тех же гранях, на которые приходится воздействие силы F), либо перпендикулярным (заряд возникает на гранях, перпендикулярных воздействию силы F).

Пьезоэлектрические свойства проявляют сильно полярные диэлектрики с отсутствующим центром симметрии в структуре молекулы. Известно более 1000 веществ, обладающих данными свойствами, в том числе все сегнетоэлектрики.

Важнейшими для РЭС является одна из кристаллических модификаций кварца: β-модификация SiO₂. Он устойчив до температуры 573°С. При более высоких температурах, β-модификация переходит в α-модификацию кристаллической решётки. Крупные природные кристаллы пьезокварца носят название горный хрусталь, но они довольно редки. В технике в основном применяется искусственно выращенный гидротермальным методом кварц.

Преимуществами кварцевых резонаторов, представляющих собой пластинки кварца с нанесёнными металлическими обкладками, являются: очень малый tgδ, высокая механическая добротность (малые механические потери). В лучших резонаторах добротность составляет 10⁶…10⁷ единиц. Если в таких резонаторах возбудить колебания, то они долго не затухают.

Благодаря высокой механической добротности, кварцевые резонаторы используются в качестве фильтров с большой избирательной способностью и для эталонирования частоты генераторов.

Помимо кварца, который достаточно дорог, используют так называемую пьезокерамическую керамику, представляющую собой сегнетокерамику, поляризованную в сильных электрических полях. Её называют ЦТС-керамикой. Материал для изготовления цирконат титанат свинца PbZrO₃-PbTiO₃. По свойствам он уступает кварцу.

Из пьезокерамики делают мощные ультразвуковые излучатели, которые широко используются в гидроакустике, дефектоскопии и механической обработке материалов (ультразвуковая сварка). Кроме того, из пьезокерамики изготавливают малогабаритные микрофоны, телефоны, ВЧ динамики, детонаторы для взрывателей, датчики давления и вибрации, ЛЗ на ПАВ, пьезотрансформаторы, акустооптические модуляторы.

Электреты

Это тела диэлектриков, длительно сохраняющие поляризацию и создающие в окружающем пространстве постоянное электрическое поле (аналог постоянного магнита).

Существует большое количество различных электретов, которые подразделяются по способам формирования электретных свойств (впервые обнаружены у парафина).

Термоэлектреты получают комбинацией термического и электрического воздействий

Фотоэлектреты – воздействие света и электрического поля

Электроэлектреты – воздействием только электрического поля

Короноэлектреты – воздействием коронного разряда.

Все электреты постепенно теряют свои свойства, длительность сохранения этих свойств – от нескольких часов до нескольких лет.

В объёме диэлектрика складывается комбинация из двух разновидностей зарядов:

1.гомозаряды. Они стекают с обкладок и замуровываются в поверхностном слое диэлектрика.

2.гетерозаряды. Формируются гомозарядами.

Рисунок 46

У органических электретов преобладают гетерозаряды, у керамических – гомозаряды.

В настоящее время большое применение находят электреты на основе полимерных плёнок (на основе полиэтилентерефталата (лавсан), политетрафторэтилена (фторопласт)).

Помещённые между обкладками плёнки электрета индуцируют на них заряд, величина которого зависит от величины зазора.

Применение: малогабаритные микрофоны, телефоны (=наушники), измерители механической вибрации.

Жидкие кристаллы

Это вещества, которые могут находиться в промежуточном (межфазном) состоянии между изотропной жидкостью и твёрдым кристаллическим талом. С одной стороны они текучи, способны собираться в каплю, то есть ведут себя как жидкость, с другой – им присуща анизотропия свойств и внутренняя упорядоченность, как у кристаллов.

Малая величина межмолекулярных сил, обеспечивающих упорядоченную структуру, определяют сильную зависимость свойств от внешних факторов: температуры, давления, внешнего поля.

Специфика жидких кристаллов заключается в ограниченном температурном интервале существования мезофазы, причём от нескольких градусов, до довольно приличного диапазона температур. При комнатной температуре состояние мезофазы характерно для органических веществ так называемого ароматического ряда с удлинённой палочкообразной формой молекулы (МББА).

Для жидких кристаллов характерно наличие трёх основных состояний:

1.Смектическая фаза – это состояние, наиболее близкое к кристаллической структуре вещества. Характеризуется параллельным расположением палочкообразных молекул с равноудалением центров масс. Срез такой вещества показан на рисунке 47а

Рисунок 47

2.Нематическое состояние. Длинные оси молекул ориентированы вдоль общего направления, которое называется нематическим директором, то есть молекулы по-прежнему параллельны, но нет равноудаления центров масс (см. рисунок 47 б)

Большинство не цветных жидкокристаллических индикаторов используют переход из смектического в нематическое состояние. При этом происходит изменение оптических свойств жидких кристаллов, наблюдается своего рода помутнение, изменяется своего рода коэффициент пропускания. Сами жидкие кристаллы не светятся, видны только в отражённом или проходящем свете. Структура индикатора представлена на рисунке 48.

Рисунок 48

При подаче на электрод сигнала и прохождении света, жидкие кристаллы над электродом мутнеют.

3.Холестерическое состояние (доступно не для всех жидких кристаллов).

На рисунке 47 в изображены несколько срезов вещества. В каждом слое молекулы расположены параллельно, но под разными углами в различных сечениях. При этом если посмотреть на одну локальную точку всей толщи жидких кристаллов, то эти молекулы образуют спираль, называемую холестерической. Угол поворота молекул зависит от различных воздействий, оказываемых на этот жидкий кристалл: температура, электрическое и магнитное поля, давление. Холестерическая спираль преломляет падающий свет, и в зависимости от угла закрутки спирали мы видим тот или иной цвет. Процесс управления называется твист-эффектом.

Магнитные материалы

Любое вещество, помещённое в магнитное поле приобретает магнитный момент М. Магнитные момент единицы объёма называют намагниченностью j_m, [А/м]:

.

При неравномерном намагничивании оценивают величину Jm:

.

Связь намагниченности с напряжённостью магнитного поля:

,

где - магнитная восприимчивость, Н – напряжённость магнитного поля.

Магнитная восприимчивость – способность вещества намагничиваться. Намагниченное тело, находящееся во внешнем поле, создаёт собственное магнитное поле, направленное в изотропных средах параллельно или антипараллельно внешнему полю. Вследствие этого величина магнитной индукции вещества будет равна алгебраической сумме внешнего и внутреннего полей:

где - относительная магнитная проницаемость – показывает, во сколько раз магнитная индукция в веществе больше чем в вакууме.

Классификация веществ по магнитным свойствам

По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества делятся на 5 групп:

· Диамагнетики

· Парамагнетики

· Ферромагнетики

· Антиферромагнетики

· Ферримагнетики

Диамагнетики

К ним относятся вещества, у которых магнитная восприимчивость отрицательна и не зависит от напряжённости внешнего магнитного поля.

Диамагнетизм обусловлен небольшим изменением угловой скорости орбитального вращения электронов в атоме при попадании этого атома в магнитное поле. Изменение скорости – проявление закона электромагнитной индукции на атомарном уровне. При этом орбита электрона рассматривается как некий замкнутый контур, по которому течёт ток, и этот контур не имеет активного сопротивления.

Очевидно, что диамагнетизм универсален, присущ всем веществам, однако в большинстве случаев он маскируется другими более сильными магнитными проявлениями.

[Можно провести параллель в диэлектриками: электронная поляризация маскируется более сильными видами поляризации]

К чистым диамагнетикам относят инертные газы, многие жидкости (вода, нефть и её производные), ряд металлов (Cu, Ag, Au, Zn, Hg,…), большинство полупроводников (элементарные, соединения A^IIIB^V, A^IIB^VI, органические соединения и неорганические стёкла) и многие другие.

Численное значение магнитной восприимчивости составляет ─1(10^-6…10^-7). Она слабо зависит от температуры, так как определяется внутриатомными процессами. Внешним проявлением диамагнетизма является выталкивание диамагнетиков из неоднородного магнитного поля.

Парамагнетики

К ним относят вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от внешнего магнитного поля.

В парамагнетике атомы обладают элементарным магнитным моментом даже в отсутствии внешнего магнитного поля. Но из-за теплового движения суммарный заряд без внешнего магнитного поля равен нулю. Внешнее поле, накладываемое на парамагнетик создаёт преимущественную ориентацию, которая тем не менее не является строгой.

Температура сильно влияет на магнитную восприимчивость материала. Зависимость магнитной восприимчивости от температуры определяется законом Кюри – Вейса. При комнатной температуре величина k_m составляет у разных веществ от 10^-3 до 10^-6. Следовательно, из магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы.

Физическое проявление парамагнетизма – втягивание парамагнетика в неоднородное магнитное поле.

К числу парамагнетиков относят кислород, окись азота, щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые переходные металлы (Al), соли железа, кобальта, никеля.

[аналог дипольно-релаксационной поляризации]

Ферромагнетики

К ним относят вещества с большим положительным значением магнитной восприимчивости (до 10⁶), которая сильно зависит от температуры и напряжённости внешнего магнитного поля.

Им присуща внутренняя магнитная упорядоченность, которая характеризуется наличием макроскопических областей с параллельно ориентированными магнитными моментами атомов (доменов).

Важнейшей особенностью является способность намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях. Намагниченность до насыщения ведёт к переходу в однодоменное состояние.

[аналог спонтанной поляризации]

Антиферромагнетики

К ним относят вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки.

Для антиферромагнетиков характерна небольшая положительная магнитная восприимчивость: у разных веществ от 10^-3 до 10^-5, она сильно зависит от температуры. При нагревании как и ферромагнетики испытывают фазовый переход в парамагнетическое состояние. У ферромагнетиков такой переход происходит в точке Кюри, а у антиферромагнетиков – в точке Нееля (или антиферромагнитной точке Кюри).

При комнатной температуре к ним относятся хром, марганец, редкоземельные элементы (цезий, неодим, самарий, таллий и др.). Типичные антиферромагнетики – простейшие химические соединения на основе металлов переходной группы: оксиды, галогениды, сульфиды, карбонаты и тому подобные. Всего около 1000 химических соединений.

Ферримагнетики

К ним относятся вещества, с нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Подобно ферромагнетикам они обладают высокой магнитной восприимчивостью, которая существенно зависит от температуры и напряжённости внешнего магнитного поля. Имеются некоторые различия: ферримагнетикам не присуще доменное строение вещества.

Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые упорядоченные сплавы металлов, но главным образом – оксидные соединения, среди которых наибольший интерес представляют ферриты (именно от них и получила название группа).

Очевидно, что сильными магнитными свойствами обладают две крупы: ферромагнетики и ферримагнетики. Именно они представляют интерес для дальнейшего изучения.

Природа ферромагнитного состояния

Для образования сильных магнитных свойств у вещества необходимо выполнение двух условий:

1.Наличие элементарного магнитного момента атомов вещества4

2.Должна быть параллельная ориентация этих магнитных моментов.

Отличным от нулю магнитным моментом обладают те атомы и ионы, которые в своих электронных оболочках имеют нескомпенсированные спины. Как известно, на одной орбитали атома не может находиться не более двух электронов с противоположными спиновыми моментами. Если на орбитали останется один электрон, то его движение вокруг ядра атома создает пусть очень маленькое, но магнитное поле, которое и будет тем самым элементарным магнитным моментом атома.

Параллельную, антипараллельную или хаотическую ориентацию элементарных магнитных моментов создаёт обменное взаимодействие электронных оболочек соседних атомов. Сила обменного взаимодействия (А) существенно зависит от размера атома (d) и от расстояния между атомами (а).

Рисунок 49

I антипараллельное расположение элементарных магнитных моментов. Антиферромагнетики.

II параллельное расположение элементарных магнитных моментов. Ферромагнетики (Fe, Co, Ni).

III хаотическое расположение элементарных магнитных моментов. Парамагнетики.

С этой позиции очевидно, что величина и знак силы обменного взаимодействия определяются для каждого конкретного вещества расстоянием между соседними атомами. Поскольку оно изменяется с изменением температуры, она оказывает сильное влияние на магнитные свойства этих веществ, а при некоторой температуре антиферромагнетики и ферромагнетики переходят в парамагнитное состояние, когда обменное взаимодействие ослабляется очень сильно.

Формирование магнитных свойств ферримагнетиков

Ферримагнетики получили своё название от ферритов – соединений окислов железа с окислами других металлов. Общая формула имеет вид Fe₂O₃·МеО.

В технике находят применение сотни различных ферритов. Наиболее широкое распространение характерно для ферритов со структурой шпинели.

Химический сосав ферритов (феррошпинелей) соответствует формуле МеFe₂O₄. Наличие или отсутствие магнитных свойств у ферритов определяется порядком расположения атомов металла, железа и кислорода. Магнитоактивные катионы металла и железа в ферритах находятся относительно друг от друга, и их взаимодействие очень слабо. Однако здесь имеет место так называемое косвенное обменное взаимодействие всех атомов, входящих в химическое соединение. При этом атомы металла и железа приобретают сонаправленные элементарные магнитные моменты за счёт участия в обменном взаимодействии атома кислорода.

Ме Fe O