Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Электрические кристаллы

Голосов: 0

Существуют ли электрические аналоги постоянных магнитов - спонтанно поляризованные диэлектрики, которые создают в окружающем пространстве электрическое поле? Ответ на этот и другие вопросы можно найти вданной статье, где речь идет о материалах с исключительно интересными электрическими свойствами: пьезоэлектриках, пироэлектриках и сегнетоэлектриках и особенностях их применения.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                           ELECTRIC CRYSTALS               ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КРИСТАЛЛЫ
                       S. A. GRIDNEV
                                                       л. Д. ЙкаСзЦЗ
                       This article discusses          ЗУ УМВКТНЛИ „УТЫ‰‡ ТЪ‚ВММ˚И ЪВıМЛ˜ВТНЛИ ЫМЛ‚В ТЛЪВЪ
                       whether or not an electric
                       analog for permanent
                                                              ЗЗЦСЦзаЦ
                       magnets exists. It also
                                                                  Нас окружает огромный мир разнообразных ма-
                       discusses the question                 териалов, без которых невозможно представить се-
                       whether there are any                  бе ни жизнь отдельного человека, ни успешное раз-
                       dielectric materials with              витие всего общества. Широкое использование на
                                                              практике новых материалов всегда приводило к бо-
                       spontaneous polarization               лее быстрому прогрессу в создании орудий труда,
                       which could create an                  разработке предметов быта, новой техники и обыч-
                       electric field in its sur-             но характеризовало уровень цивилизации общест-
                                                              ва. Недаром целые этапы в жизни общества связаны
                       roundings. The unusual                 с названиями материалов: каменный век, бронзо-
                       electric properties of such            вый век, железный век и т.д. Да и в более позднее
                       materials as piezoelec-                время именно материалы (полупроводники, сверх-
                                                              проводники, магнитные и диэлектрические мате-
                       trics, pyroelectrics and fer-          риалы) стали ключевым звеном, определяющим ус-
                       roelectrics, and methods               пехи в космической технике, электронике, атомной
                       of their manufacturing                 технике и др.
                       and their different uses                   Потребности современной техники (компью-
                                                              терные информационные сети, спутниковая радио-
                       are discussed.                         связь и телевидение, оптоволоконные линии пере-
                                                              дачи информации и пр.) стимулируют поиск,
                       лЫ˘ВТЪ‚Ы˛Ъ ОЛ ˝ОВНЪ Л-                 открытия и исследования новых материалов с улуч-
                                                              шенными или новыми свойствами или их сочета-
                       ˜ВТНЛВ ‡М‡ОУ„Л ФУТЪУflМ-                ниями. Всем этим занимается наука, которая назы-
                       М˚ı П‡„МЛЪУ‚ – ТФУМЪ‡М-                вается физическим материаловедением и которая
                       МУ ФУОfl ЛБУ‚‡ММ˚В ‰Л-                  является частью физики твердого тела. Не удиви-
                                                              тельно поэтому, что примерно половина всех физи-
                       ˝ОВНЪ ЛНЛ, НУЪУ ˚В ТУ-                 ков планеты работает в различных областях физики
                       Б‰‡˛Ъ ‚ УН ЫК‡˛˘ВП                     твердого тела, а половина всех научных публикаций
                       Ф УТЪ ‡МТЪ‚В ˝ОВНЪ Л-                  в области физики посвящена проблемам физики
                                                              твердого тела. Это значит, что физика твердого тела
                       ˜ВТНУВ ФУОВ? йЪ‚ВЪ М‡                  и физическое материаловедение составляют поло-
                       ˝ЪУЪ Л ‰ Ы„ЛВ ‚УФ УТ˚                  вину всей современной физики!
                       ПУКМУ М‡ИЪЛ ‚ ‰‡ММУИ                       Вот почему более или менее основательное зна-
                                                              комство с достижениями физики твердого тела ста-
                       ТЪ‡Ъ¸В, „‰В В˜¸ Л‰ВЪ
                                                              ло теперь необходимым не только научным работ-
                       У П‡ЪВ Л‡О‡ı Т ЛТНО˛-                  никам, но и любому современному человеку.
                       ˜ЛЪВО¸МУ ЛМЪВ ВТМ˚ПЛ
                       ˝ОВНЪ Л˜ВТНЛПЛ Т‚УИТЪ-                 ийгькабДсаь СащгЦднкадйЗ
                       ‚‡ПЛ: Ф¸ВБУ˝ОВНЪ ЛН‡ı,                    Любой диэлектрик, помещенный в электричес-
                                                              кое поле, поляризуется: в нем под действием поля
                       ФЛ У˝ОВНЪ ЛН‡ı Л ТВ„МВ-                происходят процессы смещения или перемещения
© Й Л‰МВ‚ л.Д., 1996




                       ЪУ˝ОВНЪ ЛН‡ı Л УТУ·ВМ-                 электрических зарядов. Поскольку заряды разных
                       МУТЪflı Лı Ф ЛПВМВМЛfl.                  знаков смещаются в поле в противоположных на-
                                                              правлениях, то происходит пространственное раз-
                                                              деление зарядов, которое приводит к возникнове-
                                                              нию электрических диполей. Простейший диполь
                                                              представляет собой два равных по величине, но
                                                              противоположных по знаку точечных заряда q,
                                                              расположенных на расстоянии r друг от друга.


                                                       ЙкаСзЦЗ л.Д. щгЦднкауЦлдаЦ дкалнДггх                         99


      Электрический момент диполя d называется ди-                      центров тяжести положительных и отрицательных
      польным моментом:                                                 зарядов, а стало быть, есть дипольные моменты.
                                     d = qr.                      (1)       В соответствии с типом создаваемого дипольно-
                                                                        го момента поляризацию Р можно представить в ви-
         Дипольный момент d есть вектор, направлен-                     де суммы четырех составляющих, каждой из кото-
      ный от отрицательного заряда к положительному и                   рых присущ свой механизм возникновения:
      численно равный произведению qr.
                                                                                   Р = Рэл + Рион + Рор + Рмиг .         (5)
         В диэлектрике находятся разные электрические
      заряды, которые в электрическом поле создают раз-                     Электронная поляризация Рэл возникает в атомах
      личные типы диполей. Если просуммировать все                      в результате смещения электронного облака относи-
      дипольные моменты, то полученная величина будет                   тельно положительно заряженных ядер. Ионная по-
      характеризовать степень поляризованности диэле-                   ляризация Рион возникает в связи со смещениями
      ктрика. В качестве такой величины используют па-                  противоположно заряженных ионов из своих поло-
      раметр Р, который называют поляризацией. Чтобы                    жений при воздействии электрического поля. Если
      величина Р не зависела от размеров образца, берут                 диэлектрик содержит постоянные диполи, которые
      удельную величину – суммарный дипольный мо-                       в нормальном состоянии беспорядочно ориентиро-
      мент единицы объема V материала:                                  ваны, а под действием поля приобретают преиму-
                                                                        щественную ориентацию, то возникает ориентаци-
                                            n
                                                                        онная поляризация Рор . Четвертая составляющая –
                                           ∑d .
                                  1
                              P = ---             i               (2)   миграционная поляризация Рмиг – является резуль-
                                  V
                                           i=1                          татом накопления электрического заряда в местах
      Нетрудно убедиться, что поляризация Р измеряется                  неоднородностей диэлектрика с низким удельным
      в кулонах на м2 (Кл/м2). Из формулы (2) видно, что                сопротивлением. Во всех перечисленных случаях
      для численного определения Р необходимо найти                     диэлектрик в целом, макроскопически, оказывает-
      полную сумму всех отдельных дипольных момен-                      ся поляризованным, причем чем больше напряжен-
      тов. Это задача чрезвычайно трудная.                              ность электрического поля Е, тем больше поляриза-
                                                                        ция вещества:
         В ряде случаев гораздо удобнее рассматривать
      поляризованный образец диэлектрика не как сово-                                       Р = ε0χE.                    (6)
      купность большого числа простейших диполей, а                     Здесь χ – диэлектрическая восприимчивость, ха-
      как один большой эквивалентный диполь с заряда-                   рактеризующая способность вещества к электриче-
      ми разного знака на противоположных гранях об-                    ской поляризации, ε0 = 8,85 ⋅ 10−12 Ф/м – электриче-
      разца. Величину эквивалентного дипольного мо-                     ская постоянная.
      мента системы зарядов в образце при таком подходе
      можно рассчитать как произведение суммарного за-                      Для многих диэлектриков χ является величиной
      ряда одного знака на расстояние между “центрами                   постоянной, не зависящей от Е. В этом случае на-
      тяжести” положительных и отрицательных зарядов:                   блюдается однозначная линейная зависимость Р от
                                                                        Е, а после снятия внешнего электрического поля по-
                                            n                           ляризация диэлектрика становится равной нулю.
                                           ∑q
                                                 +
                             d=R                 i    ,           (3)   Такие диэлектрики называются линейными, а поля-
                                           i=1                          ризация – индуцированной поляризацией. В отли-
                                                                        чие от них диэлектрики, в которых χ зависит от поля
      где i = 1, 2, 3, ... – индекс суммирования,
                                                                        Е, а значит, зависимость между Р и Е не является ли-
                            ∑q                   ∑q r                   нейной, называются нелинейными диэлектриками.
                                     + +                  − −
                                       r
                                     i i                  i i
                           i                    i
                    R = ------------------ – -----------------.
                                         -                        (4)   лийзнДззДь ийгькабДсаь
                              ∑                  ∑
                                      +                    −
                                   qi                  qi
                                                                            Ученые давно уже задавались вопросом: нельзя
                                 i                    i
                                                                        ли получить такой материал, в котором электричес-
         Очевидно, что если в отсутствие внешнего элек-                 кая поляризация создавалась бы не под действием
      трического поля в элементарной ячейке кристалла                   поля Е, а возникала самопроизвольно (спонтанно)
      “центры тяжести” всех положительных и отрица-                     и существовала в отсутствие внешнего электричес-
      тельных зарядов совпадают, то есть R = 0, то все ди-              кого поля? Тем более, что магнитные материалы со
      польные моменты такой структуры равны нулю и                      спонтанной намагниченностью (ферромагнетики)
      эквивалентный дипольный момент также равен ну-                    хорошо известны, и представление о постоянном
      лю. Кристаллы подобного типа называются безди-                    магните стало вполне привычным. А могут ли суще-
      польными. С симметрийной точки зрения такие                       ствовать электрические аналоги постоянных маг-
      кристаллы должны обладать центром симметрии.                      нитов – постоянные “поляриты”, то есть материа-
      В отличие от них дипольными называются такие                      лы, которые создавали бы в окружающем их
      кристаллы, в которых имеется асимметрия в распре-                 пространстве электрическое поле, так же как созда-
      делении электрических зарядов из-за несовпадения                  ет его заряженный электрический конденсатор? На


100                                                                        лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹7, 1996


основе формальных аналогий между намагничен-              Таким образом, казалось бы, можно считать, что
ностью и электрической поляризацией, казалось         кристаллы со спонтанной электрической поляри-
бы, нельзя ожидать, что в природе найдутся матери-    зацией являются электрическими аналогами маг-
алы, обладающие спонтанной электрической поля-        нитных кристаллов, обладающих спонтанной на-
ризацией, поскольку возникновение ферромагне-         магниченностью. Заряды на металлизированных
тизма связано с упорядочением в расположении          поверхностях сегнетоэлектриков и пироэлектриков,
элементарных магнитных моментов электронов, в         обусловленные спонтанной поляризацией, создают
то время как частицы, из которых состоят диэлект-     в окружающем пространстве внешнее электрическое
рики (электроны, протоны), не имеют элементарных      поле – формально мы имеем электрический аналог
электрических моментов – диполей. Тем не менее        постоянного магнита. Однако на этом аналогия
материалы со спонтанной электрической поляриза-       кончается. Не говоря уж о разной природе спонтан-
цией в природе далеко не редкость, хотя о них изве-   но поляризованного и спонтанно намагниченного
стно гораздо меньше, чем о ферромагнетиках.           состояний, есть и другие различия. Внешнее элект-
    Несмотря на то, что в диэлектриках нет заранее    рическое поле, создаваемое полярными кристалла-
заготовленных элементарных диполей отдельных          ми, не может существовать сколь угодно долго, так
частиц, электрическую поляризацию можно полу-         как довольно быстро связанные заряды спонтанной
чить посредством упорядоченного расположения          поляризации на поверхности кристаллов оказыва-
заряженных частиц противоположных знаков – ди-        ются скомпенсированными свободными зарядами,
полей. Если в структуре диэлектрика имеются такие     имеющимися в атмосфере или в объеме кристалла.
электрические диполи, обусловленные смещениями            Направление, вдоль которого в кристалле воз-
электронных оболочек или ионов друг относительно      никает электрическая поляризация, называется
друга и, кроме того, если диполи ориентированы в      полярным направлением, или полярной осью. По
одном направлении, то кристалл будет спонтанно        наличию или отсутствию в кристаллах полярных
поляризованным.                                       направлений все кристаллы можно разделить на три
    Различают два типа спонтанно поляризованных       группы: неполярные, полярные и полярно-нейт-
диэлектриков: пироэлектрики и сегнетоэлектрики.       ральные кристаллы.
    Пироэлектрики – это кристаллические диэлект-          Дипольные кристаллы полярных и полярно-
рики, обладающие спонтанной электрической поля-       нейтральных классов могут иметь одну или не-
ризацией во всей температурной области существо-      сколько полярных осей и, следовательно, обладать
вания кристалла вплоть до температуры плавления.      особыми электрическими свойствами, поэтому их
Электрические диполи всех элементарных ячеек          называют электрическими кристаллами. К электри-
кристалла ориентированы в одном направлении.          ческим кристаллам тесно примыкают также некото-
Изменить это направление внешним полем невоз-         рые анизотропные диэлектрические некристалли-
можно без разрушения кристаллической структу-         ческие среды, которые имеют свойства, сходные со
ры, поскольку асимметричное расположение ионов        свойствами электрических кристаллов: это электре-
в элементарной ячейке, ответственное за спонтан-      ты, пьезокерамические материалы, пироэлектричес-
ную поляризацию, возникает в момент образования       кие полимеры. Их можно объединить в одну общую
кристалла при его выращивании. По этой причине        группу: материалы с метастабильной электрической
в пироэлектриках поляризация Р линейно зависит        поляризацией.
от величины поля Е, то есть пироэлектрики являют-
ся линейными диэлектриками.                           лЦЙзЦнйщгЦднкада
    В отличие от пироэлектриков, в сегнетоэлектри-
ках спонтанно поляризованное состояние сущест-        зВПМУ„У ЛТЪУ ЛЛ
вует в ограниченной области температур, оно исче-        Центральное место среди электрических крис-
зает при некоторой критической температуре,           таллов принадлежит сегнетоэлектрикам. Наука о
называемой точкой Кюри. К характерным особен-         сегнетоэлектричестве сравнительно молода, правда,
ностям сегнетоэлектрика относится его фундамен-       необычные электрические свойства некоторых диэ-
тальное свойство, заключающееся в том, что на-        лектриков наблюдались давно, задолго до того, как
правление спонтанной поляризации в полярной           в науку был введен термин “сегнетоэлектричество”.
фазе может быть изменено внешним электрическим           Около двухсот лет тому назад Франц Эпинус за-
полем. Поскольку восприимчивость χ сегнетоэлект-      метил, что драгоценный камень турмалин стано-
риков зависит от величины поля Е, то зависимость      вится электрически заряженным (электризуется)
между Р и Е нелинейная и, значит, сегнетоэлектри-     при нагревании, что изменение температуры поля-
ки – это нелинейные диэлектрики.                      ризует турмалин примерно так же, как внешнее эле-
    Из изложенного выше следует, что понятие “пи-     ктрическое поле поляризует диэлектрик. В турма-
роэлектрик” является более общим, чем “сегнетоэ-      лине и многих других кристаллах (даже кристаллах
лектрик”. Можно сказать, что сегнетоэлектрики         обычного сахара) тепловое воздействие вызывает
есть пироэлектрики с реориентируемой внешним          электрический эффект, который теперь называется
полем поляризацией.                                   пироэлектрическим.


ЙкаСзЦЗ л.Д. щгЦднкауЦлдаЦ дкалнДггх                                                                       101


          В 1880 году братья Пьер и Жак Кюри открыли        32 кристаллических классов есть 20 классов (поляр-
      еще один любопытный эффект, присущий многим           ные и полярно-нейтральные кристаллы), которые
      кристаллам. Оказалось, что, например, кристаллы       поляризуются под действием механических напря-
      кварца и сегнетовой соли можно электрически по-       жений, то есть являются пьезоэлектриками. Из этих
      ляризовать с помощью механического давления.          20 классов кристаллов, без центра симметрии и
      При сдавливании или растяжении определенным           имеющих полярные оси, можно выделить 10 клас-
      образом вырезанных пластинок таких кристаллов         сов, обладающих особенными полярными направ-
      на их поверхности появляется электрический заряд.     лениями – пироэлектрические кристаллы. Сегне-
      Этот эффект получил название пьезоэлектрического      тоэлектрики – это подгруппа пироэлектриков с
      от греческого слова “пьезо”, означающего “давить”.    переключаемой внешним электрическим полем по-
          Однако и пироэлектрический, и пьезоэлектри-       ляризацией. Таким образом, сегнетоэлектрики обя-
      ческий эффекты сначала рассматривали лишь как         зательно обладают пироэлектрическими и пьезо-
      курьезные и любопытные физические явления. В то       электрическими свойствами.
      время о сегнетоэлектриках ничего не было известно         Суммируя изложенное выше, перечислим ос-
      и даже не было ясно, может ли быть электрический      новные характерные особенности сегнетоэлектри-
      аналог ферромагнетиков. Термин “сегнетоэлектри-       ческих кристаллов:
      чество” происходит от названия кристалла “сегне-          1) наличие спонтанной поляризации Ps в опре-
      това соль”, имеющего формулу NaKC4H4O6 ⋅ 4H2O,        деленном диапазоне температур, ограниченном
      в котором в 1921 году чешский ученый Дж. Валашек      температурой Кюри TK (рис. 1);
      впервые обнаружил нелинейные электрические                2) нелинейная гистерезисная зависимость поля-
      свойства, аналогичные нелинейным магнитным            ризации Р от поля Е (рис. 2);
      свойствам ферромагнетиков. По-видимому, от этой           3) диэлектрическая проницаемость ε в поляр-
      даты и следует отсчитывать начало науки о сегнето-    ной фазе и вблизи TK достигает огромных величин,
      электричестве. Большой вклад в развитие физики        вплоть до 104 – 105 (рис. 3);
      сегнетоэлектриков внес русский физик И.В. Кур-            4) величина диэлектрической проницаемости ε
      чатов. Он создал в 30-х годах первую теорию сегне-    сильно зависит от напряженности электрического
      тоэлектричества, да и сами термины “сегнетоэлек-      поля Е (рис. 4).
      трики” и “сегнетоэлектричество” были введены              5) наличие доменной структуры при температу-
      И.В. Курчатовым. В сороковых годах Г. Буш и П. Ше-    рах ниже TK ;
      рер открыли сегнетоэлектрические свойства крис-
                                                                6) высокие значения пироэлектрических коэф-
      талла дигидрофосфата калия KH2PO4 , явившегося
                                                            фициентов;
      родоначальником большой группы родственных
      кристаллов с такой же структурой.                         7) большие величины пьезоэлектрических мо-
                                                            дулей.
          Мощный толчок развитию основных представ-
      лений о природе сегнетоэлектричества дало откры-                   Ps
      тие в 1945 году советскими учеными Б.М. Вулом и
      И.М. Гольдман представителя нового класса сегнето-
      электриков – титаната бария BaTiO3 . Далее развитие
      этой области науки шло быстрыми темпами: на осно-
      ве теоретических представлений, созданных трудами
      В.Л. Гинзбурга (СССР), А.Ф. Девоншира (Англия),
      Дж.С. Слейтера (США), В. Кокрена (Англия) и др.,
      предлагались эксперименты, которые в свою очередь                   0                 TK    T
      подтверждали теории. Успехи следовали один за дру-
      гим, и это позволило создать новую область физики        Рис. 1. Зависимость спонтанной поляризации Ps
      твердого тела. Благодаря работам многих коллекти-        от температуры T вблизи точки Кюри TK сегнетоэ-
                                                               лектрика.
      вов ученых в разных странах (России, США, Англии,
      Японии, Чехословакии и др.) было обнаружено боль-
      шое число новых сегнетоэлектриков с различными                              P
      структурами и разным химическим составом. В на-
      стоящее время известно уже несколько сотен сегне-
      тоэлектриков, то есть они представляют собой об-
      ширный класс полярных веществ.                                               0
                                                                                                  E
      йТУ·ВММУТЪЛ ТВ„МВЪУ˝ОВНЪ Л˜ВТНЛı Н ЛТЪ‡ООУ‚
         Интерес к сегнетоэлектрическим материалам не
      случаен. Во многом он определяется тем особым
      положением, которое занимают сегнетоэлектрики
      среди других диэлектрических кристаллов. Среди           Рис. 2. Петля диэлектрического гистерезиса Р(Е ).



102                                                            лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹7, 1996


           ε                                        ляризацией (рис. 5б), то требуемая энергия была бы
                                                    намного меньше, чем в первом случае, однако она
                                                    еще значительно больше возможного минимума.
                                                    Можно представить себе еще более стабильную
                                                    структуру, в которой имеется четыре противопо-
                                                    ложно поляризованных домена (рис. 5в). В резуль-
                                                    тате деполяризующее поле существенно уменьша-

                                                              а              б                 в
           0                TK        T

   Рис. 3. Зависимость диэлектрической проницае-
   мости ε сегнетоэлектрика от температуры T. Пик
   соответствует точке Кюри TK .

               ε


                                                       Рис. 5. Возникновение деполяризующего элект-
                                                       рического поля и его последовательное уменьше-
                                                       ние при разбивании кристалла на домены.


                                                    ется и деполяризации кристалла не происходит.
                                                    Однако процесс разбиения на домены не может ид-
                                                    ти беспредельно, так как на образование доменных
                                                    стенок, то есть границ между доменами, затрачива-
               0                  E
                                                    ется определенная энергия. По-видимому, равенст-
   Рис. 4. Зависимость диэлектрической проницае-    во энергии деполяризующего поля и энергии до-
   мости ε сегнетоэлектрика от величины приложен-   менных стенок ставит предел дальнейшему
   ного электрического поля E.                      разбиению образца на домены и определяет равно-
                                                    весный размер доменов.
СУПВМ˚
                                                       Когда мы помещаем образец сегнетоэлектрика
   К фундаментальным особенностям сегнетоэле-       во внешнее электрическое поле, то в нем происхо-
ктриков относится их способность в полярной фазе    дит перемещение доменных стенок, увеличиваю-
(ниже точки Кюри) разбиваться на большое число      щее те домены, в которых направление спонтанной
крошечных областей с постоянной, возникающей        поляризации наиболее близко к направлению
самопроизвольно электрической поляризацией,         внешнего поля. Домены эти растут за счет доменов
называемых доменами. Однако при обычных усло-       с менее выгодно ориентированным дипольным мо-
виях направления поляризации в отдельных доме-      ментом, и последние сокращаются.
нах различны, и поэтому во всем образце диполь-
ные моменты доменов компенсируют друг друга и
суммарная поляризация равна нулю. Образец ста-      икаеЦзЦзаь ийгькзхп СащгЦднкадйЗ
новится поляризованным лишь после того, как            Чтобы получить представление о возможнос-
внешнее электрическое поле выстроит домены в        тях и перспективах использования электрических
определенном направлении.                           материалов, уместно вспомнить их особенности и ос-
   Домены отделены друг от друга доменными          новные физические свойства: диэлектрические, пи-
стенками – переходными областями, в которых         роэлектрические, пьезоэлектрические и оптические.
электрические дипольные моменты изменяют свое
                                                       Высокая диэлектрическая проницаемость элект-
направление, характерное для одного домена, на
                                                    рических материалов (100 – 20000) делает их весьма
направление в другом.
                                                    подходящими для использования в конденсаторах.
   Что управляет образованием и структурой доме-    Чаще всего в качестве материала используют сегне-
нов? Если бы образец сегнетоэлектрика был полно-    токерамику на основе BaTiO3 или Pb(Zr, Ti)O3 , так
стью поляризован и представлял собой один боль-     как они обладают малыми потерями, обеспечивают
шой домен, то он создавал бы сильное внешнее        надежно воспроизводимые свойства и экономичны
поле, направленное противоположно поляризации       в изготовлении. Для получения конденсаторов
и называемое деполяризующим полем (рис. 5а).        очень большой емкости изготавливают многослой-
   Разделение сегнетоэлектрика на домены приво-     ные структуры, состоящие из параллельно соеди-
дит к уменьшению деполяризующего поля. Если,        ненных тонких слоев. Такой конденсатор, напри-
например, образец сегнетоэлектрика состоит из       мер, из 100 слоев, толщиной по 18 мкм каждый,
двух доменов с противоположно направленной по-      обладает емкостью 2 – 5 мкФ.


ЙкаСзЦЗ л.Д. щгЦднкауЦлдаЦ дкалнДггх                                                                     103


          Зависимость ε сегнетоэлектриков от величины      KD2PO4 , успешно используются для создания опти-
      электрического поля дает возможность создавать       ческих модуляторов и дефлекторов лазерного излу-
      конденсаторы переменной емкости, управляемые         чения.
      приложенным напряжением; диэлектрические уси-           В последние годы большое внимание уделяется
      лители; частотные модуляторы; перестраиваемые        различным гибридным структурам на основе сегнето-
      фильтры; умножители частоты и пр.                    электриков: сегнетоэлектрик-люминофор, сегнето-
          Пироэлектрические свойства сегнетоэлектриков     электрик-полупроводник, сегнетоэлектрик-сверх-
      обусловливают возможность их применения для ре-      проводник и др., на которых автор не может оста-
      гистрации тепловых потоков в широком спектраль-      новиться подробнее. Однако даже из того, что ска-
      ном интервале: от области далекого инфракрасного     зано ранее, можно заключить, что электрические
      излучения до коротковолнового рентгеновского и       кристаллы являются, несомненно, перспективны-
      γ-излучения. При поглощении лучистой энергии         ми материалами новой техники и заслуживают
      температура полярного материала повышается,          пристального к себе внимания.
      вследствие чего изменяется спонтанная поляриза-
      ция, то есть происходит изменение заряда на гранях   бДдгыуЦзаЦ
      кристалла и, следовательно, напряжения, которое         Вот и закончилось краткое путешествие в мир
      затем регистрируется электронной схемой. Отсюда      материалов с интересными электрическими свой-
      ясно, что пироприемники позволяют измерять как       ствами. Автор, увы, не мог рассказать подробно обо
      интенсивность падающего на них излучения, так и      всем, было выбрано лишь немногое, твердо установ-
      весьма малые изменения температуры. Промыш-          ленное и хорошо изученное. К сожалению, остались
      ленные образцы пирометров на кристаллах тригли-      в стороне те трудности и нерешенные проблемы,
      цинсульфата характеризуются разрешающей спо-         над которыми работает наука об электрических кри-
      собностью ∼0,1°С в диапазоне температур от −20 до    сталлах в наши дни. Здесь и неполностью упорядо-
      2000°С и позволяют проводить измерения на рас-       ченные сегнетоэлектрики: кристаллы с несоразмер-
      стоянии от объекта.                                  ными фазами, со стеклоподобными состояниями, с
          Очень интересно применение пироэффекта в         сильно размытыми фазовыми переходами. Здесь и
      пироэлектрических видиконах – передающих элек-       чрезвычайно важные вопросы сосуществования
      тронно-лучевых трубках для получения двумерного      сегнетоэлектричества и ферромагнетизма, сегнето-
      теплового изображения как неподвижных, так и         электричества и сверхпроводимости, а также сегне-
      движущихся тепловых объектов.                        тоэлектрических и сегнетоэластических явлений в
          Наиболее широко в промышленном масштабе          кристаллах. Все это очень интересно! Поэтому для
      производятся различные устройства, действие ко-      получения более подробной информации читателю
      торых основано на прямом и обратном пьезоэффек-      следует обращаться к многочисленным книгам и
      тах. Способность диэлектрика деформироваться         статьям, в частности и к тем, которые приведены в
      под действием электрического поля (обратный пье-     списке литературы к этой статье.
      зоэффект) используется, например, в различных        ганЦкДнмкД
      звуковоспроизводящих устройствах (громкогово-           1. Смоленский Г.А., Крайник Н.Н. Сегнетоэлектрики и
      рители, наушники, будильники и электронные ча-          антисегнетоэлектрики. М.: Наука, 1968.
      сы, звуковые платы в ЭВМ); излучателях ультразву-       2. Желудев И.С. Электрические кристаллы. М.: Наука,
      ка (гидроакустические локаторы, дефектоскопы,           1969.
      ванны для ультразвуковой очистки деталей); мото-        3. Струков Б.А. Сегнетоэлектричество. М.: Наука, 1979.
                                                              4. Барфут Дж., Тейлор Дж. Полярные диэлектрики и
      рах для лазерных проигрывателей; позиционерах           их применения / Пер. с англ. под ред. Л.А. Шувалова.
      для подстройки СВЧ антенн, для автоматического          М.: Мир, 1981.
      фокусирования в фотоаппаратах, для точечных ма-         5. Лайнс М., Гласс А. Сегнетоэлектрики и родственные
      тричных принтеров; ультразвуковых сверлах и хи-         им материалы / Пер. с англ. под ред. В.В. Леманова и
      рургических ножах и др. Широко используются             Г.А. Смоленского. М.: Мир, 1981.
      также устройства на прямом пьезоэффекте: стерео-        6. Рез И.С., Поплавко Ю.М. Диэлектрики. Основные
                                                              свойства и применения в электронике. М.: Радио и
      звукосниматели, микрофоны, датчики быстропере-          связь, 1989.
      менных давлений и акселерометры.
                                                                                * * *
          Большое значение начинают приобретать эле-
                                                              Станислав Александрович Гриднев, доктор фи-
      менты и устройства, основанные на эффекте двой-      зико-математических наук, профессор кафедры
      ного преобразования: пьезоэлектрические фильт-       физики твердого тела Физико-технического фа-
      ры, генераторы, трансформаторы, линии задержки,      культета Воронежского государственного техни-
      а также устройства на поверхностных акустических     ческого университета. Физик-экспериментатор.
      волнах (корреляторы, кодирующие и декодирую-         Основные работы посвящены механизмам релак-
      щие устройства, волноводы, ответвители), меди-       сационных явлений в сегнетоэлектриках, сегнето-
                                                           эластиках и материалах с метастабильной поля-
      цинская диагностическая аппаратура и др.             ризацией. Вместе с учениками и сотрудниками
          Электрооптические и акустооптические свойства    опубликовал более 200 статей и обзоров, автор 21
      ряда сегнетоэлектриков, например LiNbO3 , LiTaO3 ,   изобретения.


104                                                           лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹7, 1996



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика