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.

В

Рис. 34

нешнее 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  = 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 tg, поскольку исчезают потери на гистерезис. При температурах выше точки Кюри зависимость диэлектрической проницаемости от температуры подчиняется закону Кюри-Вейсса.

где C - константа Кюри;  - 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 (KH3PO4), 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 tg 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.

3 Пьезоэлектрики

К пьезоэлектрикам относятся диэлектрики, которые обладают сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом.

Прямым пьезоэффектом называют явление поляризации диэлектрика под действием механического напряжения. Электрический заряд Q, возникающий на поверхности, изменяется по линейному закону в зависимости от механических усилий F (рис. 36,а).

Q = dF; Q/S = qs =  = d,

где d - пьезомодуль; S - площадь; qs - заряд на единицу площади, Р - поляризованость,  - механическое напряжение в сечении диэлектрика.

Пьезомодуль d численно равен заряду, на единице площади поверхности при приложении к нему единицы давления. Величина пьезомодуля составляет около 10-10 Кл/Н.

При обратном пьезоэффекте происходит изменение размеров диэлектрика l/l пропорционально напряженности электрического поля Е.

 l/l =  = dE,

где  - относительная деформация.

Пьезомодули d прямого и обратного пьезоэффекта для одного и того же материала равны между собой.

Пьезоэффект наблюдается лишь в ионных и сильнополярных диэлектриках, в структуре которых отсутствует центр симметрии и которые обладают высоким удельным сопротивлением.

Для характеристики конкретных пьезоэлектриков используют также величину называемую коэффициентом электромеханической связи k. Это связано с тем, что реальная работа внешней силы затрачивается не только на деформацию, но и на поляризацию.

k2 = Wэ /W,

где Wэ - электрическая энергия, генерируемая пьезоэлектриком; W - вся энергия затрачиваемая на деформацию.

При обратном пьезоэффекте энергия внешнего источника затрачивается не только на зарядку емкости пьезоэлектрика, но и на его деформацию.

k2 = Wм /W,

где Wм - плотность энергии механической деформации, Wм = CX2/2, здесь С - модуль упругости; Х - смещение.

Численное значения k для прямого и обратного пьезоэффектов совпадают.

В качестве пьезоматериалов широко применяют сегнетоэлектрики. Обычная сегнетокерамика как изотропная среда не обладает пьезоэффектом. Для придания пьезоэлектрических свойств ее подвергают поляризации: выдерживают в сильном электрическом поле при температуре 100-150С в течение длительного времени. Поляризованность доменов получает преимущественную ориентацию в направлении поля. После снятия внешнего поля в керамике сохраняется устойчивая остаточная поляризация; из изотропного тела керамика превращается в анизатропное - текстуру. По своим свойствам поляризованный сегнетокерамический образец близок к однодоменному кристаллу. Поляризованную сегнетокерамику, предназначенную для использования ее пьезоэффекта, называют пьезокерамикой. Из пьезокерамики можно изготовить активный элемент практически любого размера и любой формы. Пьезокерамика используется для создания ультразвуковых излучателей, элементов преобразования электрических сигналов в звуковые и обратно, датчиков давления, деформаций, ускорений и вибраций, пьезорезонансных фильтров электрических сигналов, линий задержки, пьезотрансформаторов и пьезодвигателей. Основным материалом для изготовления пьезокерамических элементов являются твердые растворы PbZrO3 - PbTiО3 (цирконат - титанат свинца или сокращенно ЦТС).

Ввиду высоких значений  tg и механических потерь пьезокерамику трудно использовать на частотах свыше 20Мгц. На более высоких частотах применяются монокристаллические пьезоэлектрики.

Из пьезоэлектрических кристаллов наиболее часто применяют кварц - двуокись кремния SiО2. В кристаллах кварца различают три главные оси, образующих прямоугольную систему координат (рис.37):X - электрическую ось, проходящую через вершины шестиугольника поперечного сечения (три оси); Y - механическую ось, перпендикулярную сторонам шестиугольника поперечного сечения (три оси); Z - оптическую ось, переходящую через вершины кристалла. Пластинки, вырезанные перпендикулярно оси Z не обладают пьезоэффектом.

Пластинки Х-среза обладают максимальным коэффициентом электромеханической связи (около 10%). Однако наибольшее применение находят пластины косых срезов кристалла, грани которых наклонены по отношению к его осям.

Плоскопараллельная полированная кварцевая пластинка с электродом и держателем представляет собой пьезоэлектрический резонатор, т.е. является колебательным контуром с определенной частотой колебаний. Частота определяется толщиной пластины и направлением кристаллографического среза. Преимуществом кварцевых резонаторов являются малый tg, высокая механическая добротность (Qм=5104 - 107) и температурная стабильность параметров. Благодаря высокой добротности кварцевые резонаторы используются в качестве фильтров с высокой избирательной способностью, а также для стабилизации и эталонирования частоты генераторов. Одно из главных требований к таким пьезоэлектрикам является нулевой или минимальный уход частоты механических колебаний в возможно более широком интервале температур. Этому требованию в значительной мере удовлетворяют АТ- и ВТ- срезы в диапозоне частот 0.6 - 100 и 5 - 20МГц соответственно, а также СТ-, DT- и GT- срезы - в диапозоне 100 - 550 кГц.

Ниобат и танталат лития, обладающие более высокими чем кварц пьезомодулями и коэффициентами электромеханической связи, во многих случаях вытесняют кварц. Фильтры на их основе обладают большей широкополосностью при меньших габаритах, более низким сопротивлением в полосе прозрачности, большей изоляцией от паразитных колебаний. Механическая добротность ниобата и танталата лития сохраняет высокое значение (105 - 106) до СВЧ-диапозона, тогда как у кварца она максимальна при частоте 1МГц, а выше 100МГц снижается до значений меньших 105. Эти материалы применяют в линиях задержки и фильтрах как объемных, так и поверхностных волн и других устройствах, использующих поверхностные акустические волны.

Пьезополупроводники СdS, ZnS, ZnO используют в основном для пленочных преобразователей электромагнитных колебаний в акустические на высоких и сверхвысоких частотах (до 40Ггц), акустических усилителях и других устройств.

Пироэлектрики

К пироэлектрикам относят диэлектрики, которые обладают сильно выраженным пироэлектрическим эффектом.

Пироэлектрическим эффектом называют изменение спонтанной поляризованности диэлектрика при изменении его температуры.

Уравнение пироэлектрического эффекта имеет вид:

-dPсп= dT,

где Рсп - спонтанная поляризованность диэлектрика;

 - пироэлектрический коэффициент.

При неизменной температуре спонтанный электрический момент скомпенсирован. Иэменение спонтанной поляризованности сопровождается освобождением зарядов на поверхности диэлектрика, благодаря чему в замкнутой цепи возникает ток:

где S -площадь поверхности диэлектрика, dT/dt - скорость изменения температуры.

Пироэлектрический коэффициент учитывает нарушение упорядоченности в расположении элементарных дипольных моментов (истинный пироэффект) и пьезоэлектрическую поляризацию, обусловленную изменением линейных размеров (вторичный пироэффект) при изменении температуры диэлектрика.

Спонтанная поляризованность зависит от температуры Рсп = А(Тк -Т)1/2, где А - некоторая постоянная для данного материала.

Отсюда следует, по мере приближения к температуре фазового перехода Тк пироэлектрический коэффициент возрастает:

Пироэлектрическими свойствами обладают все сегнетоэлектрики в монодоменизированном состоянии.

Наиболее стабильными пироэлектрическими свойствами обладают кристаллы ниобата и танталата лития, которые ввиду очень малого tg и высокого удельного сопротивления отличается малым уровнем шумов и поэтому имеет высокую чувствительность на высоких частотах.

Пироэлектрическими свойствами обладают некоторые линейные диэлектрики (турмалин) и полимеры (поливинилденфторид, поливинилденхлорид). Чувствительность пленочных полимерных диэлектриков невысока, однако они обладают простотой изготовления, малой инерционностью и небольшой стоимостью.

Пироэлектрики применяются для создания тепловых датчиков и приемников лучистой энергии, предназначенных для регистрации инфракрасного и СВЧ-излучения. У них отсутствует избирательность по спектру излучения, обладают высоким быстродействием (до 10МГц), но имеют меньшую чувствительность чем полупроводниковые фотоприемники.

5. Электреты

Электреты - это твердые диэлектрики длительно сохраняющие поляризацию и создающие в окружающем их пространстве электрическое поле.

По способу формирования зарядов электреты подразделяют на термоэлекреты (получают при воздействии на нагретый диэлектрик электрического поля), фотоэлекреты (изготавливаются из материалов обладающих фотоэлектропроводностью - серы, сульфида кадмия и др.- при одновременном воздействии света электрического поля), и другие.

Знак заряда электрета может совпадать со знаком формирующего напряжения (гомозаряд) или не совпадать (гетерозаряд). Гомозаряд образуется инжекцией заряженных частиц в диэлектрик извне. Гетерозаряд формируется за счет смещения к противоположным сторонам собственных зарядов диэлектрика. Разность гетеро- и гомозаряда определяет результирующий заряд поверхности электрета. Гомозаряды сохраняются в течение более длительного времени по сравнению с гетерозарядами.

У органических полярных электретов преобладают гетерозаряды, у неорганических (керамических) материалов и органических неполярных диэлектриков - гомозаряды.

Время жизни электретов в нормальных условиях может достигать десятков лет. Оно быстро уменьшается с повышением температуры и влажности окружающей cреды.

В настоящее время наибольшее практическое значение находят электреты на основе полимерных пленок политетрафторэтилена, полиэтилентерефталата, поликарбоната и др.. В условиях повышенной влажности наиболее стабильны электреты из политетрафторэтилена. Электреты используются для изготовления телефонов, микрофонов, дозиметров радиации измерителей атмосферного давления и влажности, электрометров и др.

Литература

Суриков В.С. – Основы электродинамики – М. «Протон» - 2000 г.

Карков И.С. – Физика элементарных частиц. – М. – 1999 г.

Синджанов И.К. Электродинамика – М. 1998 г.

Электротехнические материалы. Справочник / В.Б. Березин, Н.С. Прохоров, А.М. Хайкин. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 504с.

Рычина Т.А., Зеленский А.В. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы . - М.: Радио и связь, 1999. - 352с.