Активные диэлектрики

 

AКТИВНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

1 Общие сведения об активных диэлектриках

Активными называются диэлектрики, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий и использовать для создания функциональных элементов электроники. Активные диэлектрики позволяют осуществить генерацию, усиление, фильтрацию, модуляцию электрических и оптических сигналов, запоминание и преобразование информации.

К числу активных диэлектриков относят сегнето-, пьезо- и пироэлектрики, электреты, материалы квантовой электроники, жидкие кристаллы, электро-, магнито- и акустооптические материалы, диэлектрические кристаллы с нелинейными оптическими свойствами и др.

Свойствами активных диэлектриков обладают твердые, жидкие газообразные вещества. По химическому составу это могут быть органические и неорганические материалы. По свойствам и строению их можно подразделить на полярные и неполярные, кристаллические и аморфные диэлектрики. Резкой границы между активными и пассивными диэлектриками не существует. Один и тот же материал в различных условиях эксплуатации может выполнять либо пассивные функции изолятора или конденсатора либо активные функции управляющего или преобразующего элемента.

2. Сегнетоэлектрики

Сегнетоэлектриками называют вещества, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля.

В отсутствии внешнего электрического поля сегнетоэлектрики, как правило, имеют доменную структуру. Домены - это макроскопические области, обладающие спонтанной поляризацией, которая возникает под влиянием внутренних процессов в диэлектрике. Линейные размеры доменов составляют 0.001 - 1 мм. Направление электрических моментов у разных доменов различно. В результате суммарная поляризованность образца в целом равна нулю.

Рис. 34

Внешнее электрическое поле изменяет направление электрических моментов доменов, происходит процесс зарождения и роста новых доменов за счет смещения доменных границ. В итоге происходит переориентация вектора спонтанной поляризации в направлении внешнего поля. Это создает эффект очень сильной поляризации и обусловливает сверхвысокие значения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков (до сотен тысяч). Зависимость поляризованности Р от напряженности поля Е нелинейна и при циклическом изменении Е имеет вид петли гистерезиса (рис. 34). Напряженность поля Ес, при которой происходит изменение направления поляризованности называют коэрцитивной силой. Диэлектрический гистерезис обусловлен необратимым смещением доменных границ под действием поля и свидетельствует о дополнительных затратах энергии, связанных с ориентацией доменов. Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, рассеиваемой в диэлектрике за один период. Поэтому сегнетоэлектрики характеризуются большим значением тангенса угла потерь (tg d = 0.1).

Наличие петли гистерезиса является основным свойством сегнетоэлектриков, которое отличает их от других классов диэлектриков. Другим характерным параметром сегнетоэлектриков является сегнетоэлектрическая точка Кюри - температура при которой возникает (при охлаждении) или исчезает (при нагревании) спонтанная поляризация, а диэлектрическая поляризация достигает своего максимального значения (рис.35). После достижения точки Кюри доменная структура распадается и сегнетоэлектрик переходит в пароэлектрическое состояние. Это сопровождается резким уменьшением tgd, поскольку исчезают потери на гистерезис. При температурах выше точки Кюри зависимость диэлектрической проницаемости от температуры подчиняется закону Кюри-Вейсса.

где C - константа Кюри; q - температура Кюри-Вейсса.

По типу химической связи и физическим свойствам сегнетоэлектрики подразделяют на ионные и дипольные кристаллы.

К ионным сегнетоэлектрикам относится титанат бария (BaTiO3), титанат свинца (PbTiO3), ниобат лития (LiNbO3), танталат лития (LiTaO3) и др. Эти соединения не растворимы в воде, обладают значительной механической прочностью, легко получаются в виде поликристаллов по керамической технологии, имеют более высокую температуру Кюри и большее значение спонтанной пояризованности, чем дипольные сегнетоэлектрики.

К дипольным сегнетоэлектрикам относятся сегнетова соль, дигидросульфат калия (KH2PO4), нитрит натрия (NaNО2) и др. Дипольные сегнетоэлектрики очень хорошо растворяются в воде и обладают малой механической прочностью, точка Кюри у многих из них намного ниже комнатной температуры.

Сегнетоэлектрики применяются для изготовления малогабаритных низкочастотных конденсаторов, термоэлектрических и пироэлектрических преобразователей, диэлектрических усилителей и модуляторов, ячеек памяти и преобразователей лазерного излучения.

Конденсаторная сегнетокерамика должна иметь наибольшую величину диэлектрической проницаемости с малой зависимостью ее от температуры, небольшие потери, наименьшую зависимость Е и tgd от напряженности электрического поля (малую нелинейность), высокие значения удельного объемного и поверхностного сопротивления и электрической прочности. Оптимизация электрических характеристик достигается подбором концентрации компонентов сегнетоэлектрика.

В промышленности используют несколько сегнетоэлектрических материалов, каждый из которых применяют для определенных типов конденсаторов.

Сегнетоэлектрики, обладающие резко выраженными нелинейными свойствами, применяются для нелинейных конденсаторов - варикондов. Одна из основных характеристик вариконда - это коэффициент нелинейности K = Cmax/Cнач., величина которого может принять от 4 до 50. Нелинейные диэлектрические элементы, обычно в тонкопленочном исполнении, являются основой различных радиотехнических устройств - параметрических усилителей, низкочастотных усилителей мощности, фазовращателей, умножителей частоты, модуляторов, стабилизаторов напряжения и др.