ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ

Лабораторная работа Э-15

Цель работы: по предельной петле гистерезиса ознакомиться с методом измерения основных характеристик сегнетоэлектриков, исследовать зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от напряжённости электрического поля.

Сегнетоэлектрики – группа кристаллических диэлектриков, у которых в некотором интервале температур в отсутствие внешнего электрического поля существует спонтанная (самопроизвольная) поляризованность . Примерами сегнетоэлектриков являются сегнетова соль NaKC₄H₄O₆×4H₂O, давшая название этому классу вещества, титанат бария ВаТiO₃, триглицинсульфат (NH₂CH₂COOH)₃×3H₂SO₄ и др. Сегнетоэлектрики имеют важное практическое применение. Например, приготовляя сложные диэлектрики на основе сегнетоэлектриков и добавляя к ним различные примеси, можно получить высококачественные конденсаторы большой ёмкости при их малых размерах.

Сегнетоэлектриками могут быть только кристаллические тела, у которых решётка не имеет центра симметрии. Например, кристаллическая решётка титаната бария состоит как бы из трёх встроенных друг в друга кубических подрешёток: одна образована положительными ионами бария, другая – отрицательными ионами титана, третья – отрицательными ионами кислорода (рис. 15.1). Минимум энергии взаимодействия между положительными ионами титана и отрицательными ионами кислорода достигается, если они смещаются навстречу друг другу, нарушая тем самым симметрию элементарной кристаллической ячейки. Если такое смещение происходит во всех элементарных ячейках кристалла, то сегнетоэлектрик приобретает очень большой электрический дипольный момент в направлении этого смещения. В результате сильного электрического взаимодействия между отдельными поляризованными ячейками они располагаются так, что их дипольные моменты параллельны друг другу. Такое расположение дипольных моментов возможно даже в отсутствие внешнего электрического поля. Это и есть спонтанная поляризованость .

Сегнетоэлектрики отличаются от остальных диэлектриков рядом особенно­стей:

1. Аномально большое значение диэлектрической проницаемости e (~ 10⁵), в то время как у большинства обычных диэлектриков она составляет несколько единиц.

2. Нелинейная зависимость поляризованности P от напряжённости электри­ческого поля Е. Это приводит к тому, что диэлектрическая проницаемость сегне­тоэлектрика тоже зависит от напряжённости поля. Для обычных диэлектриков эта величина не зависит от поля и является характеристикой вещества.

3. Диэлектрический гистерезис («запаздывание»). Рассмотрим поведение сег­нетоэлектрика при циклическом изменении внешнего электрического поля (рис. 15.2). При Е = 0 в сегнетоэлектрике существует только спонтанная поляри­зо­ван­ность . Если макроскопический объём сегнетоэлектрика спонтанно поляри­зован, то он является источником сильного электрического поля. С этим полем связана большая энергия. Следовательно, такое со­стояние является энергетически невыгод­ным. Система из такого состояния стре­мится перейти к состоянию с меньшей энергией, сохраняя при этом спонтанную поляризованность . Это осуществляется путём разделения макроскопического объё­ма сегнетоэлектрика на малые области – домены, каждый из которых характеризу­ется вектором спонтанной поляризованно­сти (рис. 15.3). Размеры доменов порядка десятков тысяч ангстрем (порядка микрометра) В пределах одного домена всех элементарных ячеек ориентиро­ван в одну сторону, но в разных доменах он ориентирован произвольно, поэтому средняя поляризованность всего сегнетоэлектрика равна нулю (точка 0 на рис. 15.2 и рис. 15.3, а).

При наложении электрического поля поляризованность сегнетоэлектрика бу­дет складываться из спонтанной поляризованности, не зависящей от поля, и индуцированной, вызван­ной этим полем

. (15.1)

Первоначальное увеличение поляризованности происходит из-за роста доменов, с «выгодной» ори­ентацией за счет доменов с «менее выгодной» ори­ентацией (рис. 15.3, б). «Выгодной» считается такая ориентация дипольных моментов, которая образует острый угол с направлением внешнего электри­ческого поля. Наиболее интенсивно этот процесс протекает для среднего участка кривой 0-1. В точке 1 поляризованность всех доменов оказывается ори­ентированной вдоль поля и сегнетоэлектрик пре­вращается в однодоменный кристалл (рис. 15.3, в). Он находится в состоянии на­сыщения и характеризуется напряжённостью и поляризованностью насы­щения. Дальнейшее увеличение Е приводит к незначительному возрастанию поляризованности и кривая 0-1 переходит в линейный участок 1-1^* (рис. 15.3, г). Увеличение поляризованности на этом участке происходит за счет индуцирован­ной поляризованности, которая линейно зависит от электрического поля Е

, (15.2)

где e₀ = 8,85×10^–12 Ф/м – электрическая постоянная. Так как при достижении состояния насыщения поляризованность равна сумме спонтанной и индуцированной поляризованности, то для определения максимальной спонтанной поляризованности необходимо экстраполировать прямую 1-1^*. до пересечения с осью Р. При уменьшении (из точки 1 ) поля кривая зависимости Р от Е не совпадет с первоначальной и пойдет несколько выше (кривая 1-2). При Е = 0 сегнетоэлектрик не возвращается в неполяризованное состояние, а сохраняет остаточную поляризованность Р _ост (отрезок 0-2). Это явление называется диэлектрическим гистерезисом. Таким образом, поляризованность не определяется однозначно полем , а зависит также от предшествующей истории сегнетоэлектрика.

Для деполяризации сегнетоэлектрика, т. е. сведения к нулю остаточной поляризованности, необходимо приложить некоторое поле E _к обратного направления. Напряжённость E _к (отрезок 0-3) называется коэрцитивной силой (коэрцитивным полем). При дальнейшем увеличении поля того же направления поляризованность кристалла меняет свое направление и с ростом поля достигает насыщения в точке 4. Дальнейший рост (от точки 4 до 4^*) обусловлен действием индуцированной поляризованности. Если вновь изменять напряжённость от – E _нас до + E _нас, то электрическое состояние сегнетоэлектрика будет изменяться вдоль ветви 4^*-4-5-6-1-1^*. Значение остаточной поляризованности для этой ветви определяется отрезком 0-5, а коэрцитивной силы – отрезком 0-6. Замкнутая кривая 1^*-1-2-3-4-4^*-5-6-1-1^* называется петлей гистерезиса.

При изменении напряжённости поля от – E до + Е и последующем возвращении от + Е до – Е, где Е – любое значение напряжённости поля, удовлетворяющее условию 0 < E < E _нас, будет также получаться петля гистерезиса, называемая частной петлей (частным циклом). Этих циклов может быть бесчисленное множество, при этом вершины частных петель лежат на основной кривой 0-1.