Диэлектрики

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

2

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Реферат

Диэлектрики

Содержание

Активные диэлектрики

Сегнетоэлектрики

Пьезоэлектрики

Пьезоэлетрические материалы

Электреты

Жидкие кристаллы

Оптические свойства нематиков

Оптические свойства холестериков

Оптические свойства смектиков

Суперионные проводники

Материалы твердотельных лазеров

Кристаллические материалы лазеров

Рубин

Гранаты

Кристаллы вольфраматов и молибдатов

Стекла

Список литературы

носитель заряд диэлектрик кристалл лазер

Активные диэлектрики

Активными диэлектриками, или управляемыми диэлектриками, принято называть такие диэлектрики, свойства которых существенно зависят от внешних условий - температуры, давления, напряженности поля и так далее. Такие диэлектрики могут служить рабочими телами в разнообразных датчиках, преобразователях, генераторах, модуляторах и других активных элементах. К активным диэлектрикам относят сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты, материалы квантовой электроники, суперионные проводники и др. Строгая классификация активных диэлектриков невозможна, поскольку один и тот же материал может проявлять признаки различных активных диэлектриков. Так, сегетоэлектрики часто сочетают свойства пьезоэлектриков. Кроме того, нет резкой границы между активными и пассивными диэлектриками. Один и тот же материал в зависимости от условий эксплуатации может выполнять либо функции пассивного изолятора, либо активные функции преобразующего или управляющего элемента.

Сегнетоэлектрики

Сегнетоэлектриками называют материалы, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля.

Рисунок 1 Кривая поляризации сегнетоэлектрика и петля диэлектрического гистерезиса

В отсутствии внешнего электрического поля сегнетоэлектрики, как правило, имеют доменную структуру, то есть разбиваются на микроскопические области, обладающие спонтанной поляризацией. В принципе, у ферромагнетиков также имеются домены - области спонтанного намагничивания, поэтому поведение сегнетоэлектриков в электрическом поле подобно поведению ферромагнетиков в магнитном поле. Единственным различием между сегнетоэлектриками и ферромагнетиками является то, что при помещении их в электрическое поле меняется вектор электрического смещения D = E + P, а у ферромагнетиков при помещении в магнитное поле меняется индукция B = H+I.

За рубежом сегнетоэлектрики называют ферроэлектриками, поскольку сегнетоэлектрики являются формальными аналогами ферромагнетиков.

Отечественное название - сегнетоэлектрики произошло от сегнетовой соли, двойной калий-натриевой соли винно-каменной кислоты (NaKC₄H₄O₆). Сегнетова соль была первым материалом, в котором обнаружена спонтанная поляризация. Свойства сегнетовой соли были всесторонне исследованы И.В. Курчатовым совместно с П.П. Кобеко в начале тридцатых годов двадцатого века. Монокристаллы сегнетовой соли нашли широкое применение для изготовления различных приборов в годы Великой Отечественной войны, однако в настоящее время сегнетова соль утратила свое техническое значение из-за низкой влагостойкости и низких механических свойств. Очень интенсивно начали развиваться фундаментальные и прикладные работы по сегнетоэлектричеству после открытия Б.М. Вулом (1944 г.) сегнетоэлектрических свойств титаната бария BаTiO₃.

На примере BаTiO₃ рассмотрим структуру и свойства сегнетоэлектриков.

Химические связи в BаTiO₃ ионно-ковалентные. Титанат бария кристаллизуется в структуру типа перовскит. Элементарную ячейку решетки такого типа можно представить следующим образом: основу структуры составляют кислородные октаэдры, в центре которых расположены ионы титана. В свою очередь, ионы кислорода центрируют грани куба, составленного из ионов бария (рис. 2).

Размеры элементарной ячейки больше удвоенной суммы ионных радиусов ионов титана и кислорода. Поэтому ион титана имеет некоторую свободу перемещения в кислородном октаэдре.

Рисунок 2. Кристаллическая решетка титаната бария, и деформация решетки при переходе через точку Кюри

При достаточно высоких температурах тепловая энергия иона титана достаточна для того, чтобы он непрерывно перебрасывался от одного иона кислорода к другому, поэтому усредненное положение иона титана находится в центре элементарной ячейки, и элементарная ячейка является симметричной - кубической.

Понижение температуры ведет к снижению кинетической энергии иона титана и при некоторой температуре (ниже 120 С) он локализуется вблизи одного из ионов кислорода. В результате, симметрия в расположении заряженных частиц нарушается, и элементарная ячейка приобретает дипольный момент. В соседней элементарной ячейке ион титана смещается к отрицательному полюсу образовавшегося диполя. Таким образом, соседние элементарные ячейки становятся спонтанно поляризованными.

Одновременно со спонтанной поляризацией идет деформация кристаллической решетки, и кубическая решетка становится ромбоэдрической. Итак, ниже некоторой температуры (температуры Кюри) сегнетоэлектрики самопроизвольно поляризуются, и при этом деформируется их кристаллическая решетка. Выше температуры Кюри сегнетоэлектрики переходят в параэлектрическое состояние, и кристаллическая решетка становится симметричной. Изменение типа кристаллической решетки при переходе через точку Кюри принято называть фазовым переходом.

Образование доменов в кристаллах сегнетоэлектриков связано с тем, что в том случае, когда все соседние элементарные ячейки кристалла поляризованы в одном и том же направлении, вокруг кристалла появляется внешнее электрическое поле. Наличие электрического поля повышает энергию системы и для снижения энергии кристалл самопроизвольно разбивается на домены.

Рисунок 3. Разбиение кристалла сегнетоэлектрика на домены.

Поскольку ниже температуры Кюри симметрия кристаллической решетки уменьшается, то число направлений, вдоль которых выгодна спонтанная поляризация соседних кристаллических решеток, сравнительно мало. Такими направлениями будут направления типа 111. Соответственно соседние домены могут быть разориентированы на 180 или на 90 градусов. Поскольку суммарные электрические моменты соседних доменов антипараллельны или перпендикулярны, то в целом кристалл сегнетоэлектрика не обладает электрическим моментом.

Важно отметить, что на границах доменов происходит постепенный поворот дипольных моментов из одного направления в другое, аналогично тому, как происходит этот поворот в ферромагнетиках. В этом еще одно сходство сегнетоэлектриков с ферромагнетиками. Очевидно, что границы доменов в сегнетоэлектриках взаимодействуют со структурными несовершенствами решетки так же, как и ферромагнетиках.

Рисунок 4. Зависимость вектора электрического смещения D и диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля Е

При помещении сегнетоэлектрика в электрическое поле некоторые домены имеют минимальную энергию, поскольку их дипольные моменты совпадают с направлением поля. Для снижения суммарной энергии материала эти домены растут, и суммарная поляризация сегнетоэлектрика увеличивается (рис. 4). После того, как благоприятно ориентированные домены заполнят весь кристалл, рост поляризации прекратится.

Известно, что диэлектрическая проницаемость является отношением вектора электрического смещения к вектору напряженности электрического поля =D/E. Таким образом, в области резкого роста поляризации диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков максимальна.

Подобная зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков от напряженности электрического поля позволяет использовать такие материалы для изготовления датчиков напряженности электрического поля и варикондов - нелинейных конденсаторов, емкость которых зависит от приложенного напряжения.

Рисунок 5 Изменение диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков при повышении температуры

Существенное влияние на поведение диэлектриков в электрическом поле оказывает и температура. Как отмечалось ранее, при достижении некоторой температуры сегнетоэлектрики переходят в параэлектрическое состояние. Эту температуру называют температурой Кюри. Рассмотрим влияние температуры на свойства сегнетоэлектриков подробнее, в качестве примера вновь возьмем титанат бария. При повышении температуры кинетическая энергия ионов возрастает, и взаимодействие между ионами кислорода и титана, образующими дипольные моменты, ослабевает. Поэтому поворот диполей облегчается, и максимум поляризации наблюдается при меньших значениях напряженности электрического поля. Следовательно, диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков растет. При равенстве энергии электростатического взаимодействия ионов кислорода и титана с кинетической энергией колебаний ионов титана сегнетоэлектрик переходит в параэлектрическое состояние. При этом диэлектрическая проницаемость достигает максимума. Дальнейший рост температуры, приводит к тому, что тепловые колебания разориентируют диполи и диэлектрическая проницаемость снижается.

Из приведенного рассмотрения вытекают две важные особенности сегнетоэлектриков. Во-первых, сегнетоэлектрики можно использовать для изготовления датчиков температуры. Во-вторых, изменение энергии электростатического взаимодействия между ионами и изменение массы ионов при легировании позволяет изменять температуру Кюри. Последнее обстоятельство позволяет создавать материалы с размытой точкой Кюри, тогда в достаточно широком диапазоне температур у сегнетоэлектрики будет достаточно большая диэлектрическая проницаемостью, что позволяет использовать такие материалы для изготовления конденсаторов большой емкости.

Кроме того, изменение точки Кюри при легировании позволяет изготавливать компенсирующие конденсаторы, емкость которых изменяется при нагреве и компенсирует изменение емкости других конденсаторов.

В качестве иллюстрации влияния легирования на свойства сегнетоэлектриков рассмотрим легирование титаната бария цирконатом бария и титанатом кальция.

Рисунок 6 Влияние добавок ВаZrO3 и CaTiO3 к BaTiO3 на диэлектрическую проницаемость. Цифрами обозначено процентное содержание добавок

Как видно из приведенных рисунков, легирование приводит к существенному изменению свойств сегнетоэлектриков, поэтому на базе твердых растворов изготавливаются материалы с различными свойствами.

Конденсаторная сегнетоэлектрическая керамика. Для изготовления конденсаторной сегнетоэлектрической керамики используют добавки, которые «размывают» сегнетоэлектрический фазовый переход, что приводит к сглаживанию температурной зависимости диэлектрической проницаемости. Следует, однако, отметить, что сглаживание зависимости диэлектрической проницаемости от температуры ведет к снижению диэлектрической проницаемости.

Среди существующей конденсаторной сегнетокерамики можно выделить:

Материалы со слабо выраженной зависимостью диэлектрической проницаемости от температуры. Типичным примером является сегнетокерамика Т-900. Данный материал является твердым раствором титанатов стронция и висмута. Максимум диэлектрической проницаемости соответствует точке Кюри, равной -140С. В области рабочих температур (-50 +150) температурная зависимость диэлектрической проницаемости - слегка падающая. Среднее значение составляет 900.

Материалы со сглаженной зависимостью диэлектрической проницаемости от температуры. Типичный представитель этого класса материалов сегнетокерамика - СМ-1. Данную сегнетокерамику получают на основе титаната бария с добавкой окислов циркония и висмута. Материал используется для изготовления малогабаритных конденсаторов на низкие напряжения.

Материалы с максимальным значением диэлектрической проницаемости в заданном диапазоне температур. Типичным представителем является материал Т-8000. Данный материал является твердым раствором BaTiO₃ - BaZrO₃. Максимум диэлектрической проницаемости находится в области комнатной температуры и составляет 8000. Используется для изготовления конденсаторов при комнатной температуре, работающих в нешироком диапазоне температур.

Сегнетоэлектрическая керамика для варикондов. Варикондами называют нелинейные конденсаторы, емкость которых зависит от напряженности электрического поля. Одна из важнейших характеристик варикондов - коэффициент нелинейности К - отношение максимального значения диэлектрической проницаемости к начальной диэлектрической проницаемости. Коэффициент нелинейности для различных материалов изменяется от 4 до 50. Основной кристаллической фазой в таких материалах являются твердые растворы системы Ba(Ti,Sn)O₃ или Pb(Ni,Zr,Sn)O₃.

Сегнетоэлектрики с прямоугольной формой петли гистерезиса. Благодаря диэлектрическому гистерезису сегнетоэлектрики можно использовать для записи информации. Поляризация в одном направлении означает хранение в памяти единицы, а поляризация в другом направлении означает хранение нуля. Для этих целей наиболее подходят материалы с петлей гистерезиса, близкой к прямоугольной. Прямоугольная петля гистерезиса наблюдается в монокристаллических сегнетоэлектриках.

Пьезоэлектрики

В 1880 году братьями П. и Ж. Кюри был открыт прямой пьезоэффект - возникновение электростатических зарядов на пластинке, вырезанной из кристалла кварца, под действием механических напряжений. Эти заряды пропорциональны механическому напряжению, меняют знак вместе с ним и исчезают после снятия напряжений. Наряду с прямым пьезоэффектом, наблюдается и обратный пьезоэффект, когда под действием электрического поля возникает механическая деформация кристалла, причем величина механической деформации прямо пропорциональна напряженности электрического поля. Обратный пьезоэффект не следует смешивать с электрострикцией - деформацией диэлектриков под действием электрического поля. Электрострикция наблюдается как в твердых диэлектриках, так и жидких, тогда как пьезоэффект наблюдается только в твердых диэлектриках с определенной кристаллической структурой. Кроме того, при электрострикции наблюдается квадратичная зависимость между напряженностью поля и деформацией, а при пьезоэффекте - зависимость линейная. Пьезоэлектрический эффект наблюдается только тогда, когда кристаллическая решетка несимметрична. Отсутствие центра симметрии кристаллической решетки является необходимым, но недостаточным условием появления пьезоэлектрического эффекта.

Как отмечалось выше, при прямом пьезоэффекте заряды на поверхности диэлектрика пропорциональны приложенной силе.

Где Q - величина заряда, F - величина приложенной силы, d - коэффициент пропорциональности между зарядом и приложенной силой, называемый пьезомодулем. Поделив величину заряда и приложенную силу на площадь S, получим

или (3)

где: q_s - поверхностная плотность зарядов, Р - поляризация, - механические напряжения. Для случая обратного пьезоэффекта пьезомодуль связывает величину относительной деформации кристалла с напряженностью электрического поля

(4)

Важно отметить, что приведенные соотношения имеют лишь качественный характер. Реальное описание пьезоэлектрического эффекта намного сложнее. Дело в том, что механическое напряжение является тензорной величиной, имеющей шесть независимых компонентов, тогда как поляризация является векторной величиной. Поэтому пьезомодуль, устанавливающий связь между вектором поляризации и механическими напряжениями, является тензором третьего ранга, имеющим 18 независимых компонентов. В тензорной форме уравнение прямого и обратного пьезоэффектов принимает следующий вид:

( 5)

( 6)

где i = 1,2,3 - компоненты вектора поляризованности; j = 1,2…6 - компоненты тензора механических напряжений или деформаций.

Помимо пьезомодуля еще одной важной характеристикой пьезоэлектриков является коэффициент электромеханической связи k. Квадрат этого коэффициента представляет собой отношение механической энергии к полной электрической энергии полученной от источника питания.

Пьезоэлетрические материалы

Плоскопараллельная полированная пластинка кварца с электродами и держателем представляет собой пьезоэлектрический резонатор, то есть является колебательным контуром с определенной резонансной частотой колебаний.

Резонансная частота зависит от толщины пластинки и направления среза. Преимуществами кварцевых резонаторов является малый tg и высокая механическая добротность. Благодаря высокой механической добротности кварцевые резонаторы используют в качестве фильтров с высокой избирательной способностью, а также для стабилизации и эталонирования частоты в генераторах. Одним из важнейших требований к таким резонаторам является температурная стабильность резонансной частоты. Этому требованию удовлетворяют пластинки специальных косых срезов по отношению к главным осям.

Природные кристаллы кварца, как правило, содержат дефекты, снижающие их ценность. Поэтому основные потребности пьезотехники удовлетворяются искусственными кристаллами, выращиваемыми из насыщенных кремнием щелочных растворов.

Помимо кварца, в качестве материалов для пьезоэлектрических элементов широко используют ниобат и танталат лития. По своей природе данные материалы являются сегнетоэлектриками. Для придания им пьезоэлектрических свойств производят отжиг в сильном электрическом поле, что проводит к созданию монодоменного состояния.

Аналогичным образом можно перевести в пьезоэлектрическое состояния сегнетокерамику. Поляризованную сегнетокерамику называют пьезокерамикой. Пьезокерамика имеет перед монокристаллами то преимущество, что из нее можно изготовить активный элемент любой формы и размера. В качестве материала для пьезокерамики используют твердые растворы на основе титаната бария, титаната-цирконата свинца, метаниобата свинца.

Пьезокерамические материалы принято разделять на четыре функциональные группы. Материалы группы 1 используют для изготовления высокочувствительных элементов, работающих в режиме приема или излучения механических колебаний. Для таких материалов необходим большой пьезомодуль. Материалы группы 2 используют для изготовления генераторов сильных сигналов, работающих в условиях сильных электрических полей или высоких механических напряжений. Для таких материалов необходимо высокое удельное электрическое сопротивление. Материалы группы 3 используют для изготовления пьезоэлементов, обладающих повышенной стабильностью резонансных частот в зависимости от температуры и времени. Материалы группы 4 используются для изготовления высокотемпературных пьезоэлементов.

Материалы на основе титаната бария. Наиболее дешевым материалом является пьезокерамика ТБ-1 (BaTiO₃). Отсутствие в составе летучих при обжиге компонентов и простота технологии изготовления обусловливают его широкое распространение. Большей температурной стабильностью характеристик обладают твердые растворы титанатов бария и кальция с добавкой кобальта (ТБК-3) и титанатов бария кальция и свинца (ТБКС).

Материалы на основе твердых растворов титаната - цирконата свинца. На основе этих твердых растворов разработана серия пьезоэлектрических материалов, носящих условное название ЦТС (за рубежом PZT). Состав этих материалов базируется на твердом растворе, содержащем 53-54% цирконата свинца и 46-47% титаната свинца. Для улучшения характеристик в основной раствор вводятся добавки титаната стронция, а также ряд оксидов - оксиды ниобия, тантала, лантана, неодима и др.

Температура Кюри этих материалов превышает 250 С, и у них отсутствуют низкотемпературные фазовые переходы, что приводит к большой стабильности диэлектрической проницаемости и пьезомодуля по сравнению с характеристиками керамики на основе титаната свинца. Технология получения изделий из ЦТС усложнена тем, что в состав ЦТС входит летучий оксид свинца, который улетучивается при обжиге. Это обстоятельство приводит к плохой воспроизводимости свойств, поэтому обжиг заготовок пьезоэлементов производят в атмосфере паров оксида свинца.

Материалы на основе метаниобата свинца. Твердые растворы метаниобатов свинца и бария ((Pb,Ba)Nb₂O₃), содержащие 40-50% метаниобата бария, имеют высокую температуру точки Кюри (свыше 250 С); у них также отсутствуют низкотемпературные фазовые переходы. Технология изготовления изделий из них проще, поэтому материалы марок НБС получили широкое распространение.

Свойства некоторых пьезокерамических материалов приведены в таблице 1.

Таблица 1 Характеристики различных пьезокерамик

У смектиков с структурой С директор направлен не по нормали к слою молекул, а образует с ним некоторый угол. Схематическое расположение молекул в смектиках с структурой А и С показано на рисунке 8.

Холестерики. Структура таких жидких кристаллов похожа на структуру нематиков. Однако директоры соседних молекул смещены относительно друг друга, в результате чего образуется холестерическая спираль. Такая фаза ведет себя по отношению к падающему излучению подобно интерференционному фильтру. Поскольку шаг спирали составляет величину порядка 300 нм, то белый свет раскладывается в спектр. Иначе говоря, если плоский слой холестерического жидкого кристалла освещать белым светом, то в отраженном свете он будет выглядеть окрашенным, причем окраска будет зависеть от угла наблюдения и от температуры. При изменении температуры меняется шаг винтовой спирали, что и определяет влияние температуры на окраску холестериков. Цветовые термоиндикаторы успешно применяются для технической и медицинской диагностики. Они позволяют легко получить картину теплового поля в виде цветовой диаграммы. Кроме того, холестерики могут использоваться для визуализации СВЧ полей.

Оптические свойства нематиков

Как отмечалось ранее, весь объем жидких кристаллов разбивается на домены, вследствие чего возникает оптическая неоднородность среды и наблюдается сильное рассеяние света. Такие жидкие кристаллы выглядят мутными. Для практического использования необходимо получить однодоменную структуру жидкого кристалла. Иначе говоря, необходимо использование факторов, стабилизирующих однодоменное строение жидкого кристалла. Такими факторами могут быть:

- поверхностные силы, задающие определенную ориентацию молекул на поверхностях;

- внешние поля (как правило, электрические), ориентирующие молекулы сразу во всем объеме.

Исторически первый, но не утративший своего значения и в наше время способ получения однодоменных образцов состоит в специальной обработке поверхностей, ограничивающих жидкий кристалл. Для обработки поверхностей применяют скрайбирование (нанесение царапин), напыление на поверхность молекулярных слоев, нанесение поверхностно-активных молекул специальных веществ - ориентатнов.

Однородно ориентированные слои нематика с осями молекул, параллельными поверхностям пластин, называют планарной текстурой, а с осями перпендикулярными поверхностям, - гометропной текстурой.

Очевидно, что ориентирующее влияние поверхности на молекулы жидкого кристалла тем сильнее, чем менее молекулы удалены от поверхности. Поэтому следует ожидать, что однородной структуры жидкого кристалла можно добиться в тонких слоях. Практика показывает, что полной однородности структуры можно добиться, поместив жидкий кристалл между пластинками с зазором 10 - 100 микрометров. Пластины, ограничивающие жидкий кристалл, как правило, изготавливаются из прозрачных материалов - стекла или полимеров, для изготовления прозрачных электродов используются слои окиси олова (SnO₂).

Важными характеристиками нематических жидких кристаллов являются оптическая и диэлектрическая анизотропия.

Под оптической анизотропией (n) понимают разность в показателях преломления световых волн, электрические векторы которых параллельны и перпендикулярны преимущественной ориентации молекул. Для типичных случаев n 0,3, то есть однородно ориентированные нематические структуры ведут себя подобно оптически положительным одноосным кристаллам. Под диэлектрической анизотропией понимают разницу в значениях диэлектрической проницаемости измеренных вдоль и поперек направления преимущественной ориентации молекул (). В соответствии со знаком , различают положительную и отрицательную диэлектрическую анизотропию. Положительная диэлектрическая анизотропия нематика соответствует меньшей диэлектрической проницаемости (большей фазовой скорости) для света, поляризованного перпендикулярно направлению директора. В нематике с отрицательной диэлектрической анизотропией фазовая скорость света, поляризованного перпендикулярно направлению директора, оказывается меньше скорости света, поляризованного в направлении директора.

Микроскопической причиной возможности существования различных знаков являются особенности строения молекул, образующих жидкий кристалл. Величина пропорциональна параметру порядка S,то есть изменяется с температурой нематика, и ее среднее значение лежит в интервале 0,2-0,01 при средней диэлектрической проницаемости = 2-2,5. Оптические характеристики планарной текстуры таковы, что без изменения поляризации в ней распространяется только свет, линейно поляризованный ортогонально и параллельно директору. Любая другая поляризация изменяется по мере распространения света.

Докажем это. Произвольно поляризованный свет можно разложить на волны, поляризованные параллельно и перпендикулярно директору. Каждая из этих волн движется со своей фазовой скоростью, и на выходе из ячейки возникнет разность фаз между волнами. Следовательно, сложение вышедших волн даст волну с изменившейся поляризацией.

Итак, поляризационные свойства планарной и гомеотропной текстур нематика оказываются различными. Точно также различны свойства пластин обычных кристаллов, если они вырезаны так, что в одной из них оптическая ось перпендикулярна, а у другой параллельна поверхности. Существенным отличием нематиков от обычных кристаллов является то, что у нематиков направление оптической оси можно менять путем внешних воздействий. Так, при приложении электрического поля молекулы нематика ориентируются так, чтобы направление большего значения диэлектрической проницаемости совпало с направлением поля. Таким образом, ячейку с гомеотропной структурой можно превратить в ячейку с планарной структурой. Наложив на ячейку поляроидную пленку, можно изменять прозрачность ячейки при помощи приложения напряжения. Расчеты, выполненные Фридериксом с сотрудниками, показали, что для перестройки структуры типичной ячейки необходимы напряжения порядка единиц вольт. Время перестройки ячейки порядка миллисекунды. Электроннооптические эффекты в ячейке могут проявляться не только в переходах из прозрачного в непрозрачное состояние или наоборот, но также в изменении окраски ячейки. Если в нематик добавить небольшое количество дихроичного красителя, то при переориентации молекул нематика происходит и переориентация молекул красителя, что приводит к изменению цвета ячейки.

По электрическим свойствам жидкие кристаллы относятся к полярным диэлектрикам с невысоким удельным сопротивлением (=10⁶-10¹⁰ ОМм). При работе в постоянных полях перемещение ионов и их взаимодействие с материалом электродов приводит к постепенной деградации ячеек - потере контраста. Кроме того, в материалах с низким удельным сопротивлением поток ионов нарушает упорядоченное расположение молекул нематика. В результате образуются области рассеяния, что проявляется как помутнение ячейки. Этот эффект называют динамическим рассеянием света.

Эффект динамического рассеяния света также используется для изготовления индикаторов.

Преимуществами таких индикаторов является то, что при переменном напряжении удается ослабить процессы электролиза и увеличить срок службы индикаторов до десятков тысяч часов. Кроме того, эффект проявляется в неполяризованном свете, что упрощает конструкцию индикаторов. Недостатком является необходимость использовать более высокие напряжения, чем в случае чисто полевых эффектов.

Поскольку в индикаторах на жидких кристаллах используется окружающий свет, то потребляемая мощность значительно меньше, чем у других индикаторных устройств, и составляет 10^-4 - 10^-6 Вт/см². Это на несколько порядков ниже, чем в светодиодах, порошковых и пленочных люминофорах, а также в газоразрядных индикаторах.

Другими достоинствами жидкокристаллических индикаторов являются: а) хороший контраст при ярком освещении;

б) совместимость с интегральными схемами по рабочим параметрам и конструктивному исполнению;

в) сравнительная простота изготовления и низкая стоимость.

Принципиальными недостатками устройств на жидких кристаллах являются невысокое быстродействие, а также подверженность процессам электрохимического и фотохимического старения.

Оптические свойства холестериков

При нахождении холестерика в электрическом или магнитном поле происходит искажение шага спирали молекулы. В полях достаточно большой напряженности при положительной диэлектрической или магнитной анизотропии холестерическая спираль полностью раскручивается. Такое поведение спирали во внешнем поле связано с конкуренцией межмолекулярного взаимодействия, которое стремится установить геликоидальное упорядочение длинных осей молекул, и взаимодействия молекул с приложенным полем, ориентирующим длинные оси молекул вдоль поля. Изменение шага спирали во внешнем поле вызывает изменение окраски холестерика и может быть использовано для создания цветных индикаторов. Следует отметить, что приложение поля к планарной структуре технически неудобно, поэтому наибольший интерес вызывает приложение поля перпендикулярно поверхности ячеек. Если поле, перпендикулярное поверхности ячеек, накладывается на холестерик с отрицательной анизотропией диэлектрической проницаемости, то оно оказывает стабилизирующее воздействие на планарную текстуру. Кроме того, происходит уменьшение шага спирали, что дает возможность управлять цветом ячейки.

Так же, как и в нематиках, в холестериках при наложении достаточно сильного электрического поля появляются гидродинамические эффекты. Иначе говоря, в холестерике появляются турбулентные потоки, и холестерик перестает быть прозрачным. То есть в холестерике появляется динамическое рассеяние света. В отличие от нематика, динамическое рассеяние света в холестерике может обладать памятью. Рассеивающее свет состояние может сохраняться и после снятия поля. Время памяти зависит от конкретных свойств холестерика и может сохраняться от минут до нескольких лет. Приложение переменного напряжения переводит холестерик в исходное нерассеивающее состояние. Это свойство позволяет использовать холестерики для создания ячеек памяти.

Оптические свойства смектиков

Смектики - это наиболее обширный класс жидких кристаллов. Причем некоторые разновидности смектиков обладают сегнетоэлектрическими свойствами.

Смектик типа А является оптически однородной средой, поскольку оптическая ось совпадает с направлением директора, для которого показатель преломления не зависит от поляризации света. Смектики типа С являются двухосными средами, то есть в них существуют два направления распространения света, для каждого из которых показатель света не зависит от поляризации. Такое различие в свойствах связано с тем , что у смектиков типа А возможно вращение молекул вокруг длинной оси, а смектиков типа С такое вращение затруднено.

Поскольку вращение молекул вдоль длинной оси смектиков типа С затруднено, то ориентация соседних молекул оказывается близкой, то есть такие жидкие кристаллы будут обладать сегнетоэлектрическими свойствами. Требование минимума энерии приводит к постепенному повороту дипольных моментов на границах доменов. Иначе говоря, на границах доменов появляется структура, аналогичная структуре холестериков. При нагреве таких материалов границы доменов расширяются, и во всем объеме структура смектика становится аналогичной структуре холестерика. Такие смектики называют киральными.

Следует отметить, что шаг спирали киральных смектиков, как правило, больше шага спирали холестериков, поэтому селективное отражение света наблюдается в инфракрасном диапазоне. Наложение электрического поля приводит к изменению шага спирали, что позволяет преобразовывать инфракрасное излучение в видимое.

Суперионные проводники

При дальнейшем росте температуры активизация колебаний ионов решетки приводит к снижению электропроводности. Это явление имеет ту же природу, что и снижение электропроводности при нагреве металлов.

В металлах нагрев ведет к активизации колебаний узлов кристаллической решетки, в результате чего кристаллическая решетка локально искажается. Известно, что основными носителями заряда в металлах являются электроны. Движение электронов в металлах с плотноупакованной кристаллической решеткой удобно представить в виде движения электронной волны. При взаимодействии электронной волны с узлами кристаллической решетки электронная волна передает энергию ионам, находящимся в узлах решетки. Поглотив энергию электронной волны, ионы возбуждаются, колеблются и распространяют во все стороны дифрагированные электронные волны. Дифрагированные волны интерферируют, и образуется новая волна. В том случае, когда кристаллическая решетка правильна, ионы являются когерентными источниками дифрагированные волн, поэтому амплитуды дифрагированных волн суммируются, и формируется новая волна, амплитуда которой равна амплитуде исходной волны (см. рис. 11).

Рисунок 11 Взаимодействие электронной волны с ионами кристаллической решетки металлов; а) правильная кристаллическая решетка, б) искаженная кристаллическая решетка

Энергия волны пропорциональна квадрату ее амплитуды, таким образом, в правильной кристаллической решетке электронная волна движется без потерь, и удельное электрическое сопротивление материала с идеальной кристаллической решеткой равно нулю. Появление в кристаллической решетке дефектов приводит к смещению некоторых ионов из равновесных положений, и дифрагированные волны становятся некогерентными (рис. 11). При сложении некогерентных волн амплитуда результирующей волны оказывается меньше амплитуды падающей волны, в результате у металла удельное электрическое сопротивление становится отличным от нуля. С ростом температуры происходит локальное искажение кристаллической решетки металлов, а следовательно, увеличивается удельное электрическое сопротивление.

В суперионных проводниках носителями заряда являются ионы, движение которых также можно представить в виде движения волны ионов. Аналогичным образом удельное электрическое сопротивление суперионных проводников растет при локальном искажении остова решетки, на котором дифрагирует ионная волна.

Дальнейшее повышение температуры приводит к полному плавлению кристалла, то есть тепловая энергия сравнивается с работой выхода ионов из самых глубоких потенциальных ям. Поэтому проводимость суперионных проводников вновь возрастает. Рост температуры повышает кинетическую энергию ионов и уменьшает их электростатическое взаимодействие. Поэтому рост температуры после полного плавления суперионных проводников ведет к росту проводимости.

Открыты суперионные проводники были в 1912 году при исследовании свойств галогенидов серебра. При этом было обнаружено, что кристаллы иодида серебра проявляют необычные свойства (резкий рост электропроводности) при нагреве. У кристаллов фторида и хлорида серебра таких свойств нет. Несколько позже были открыты суперионных проводников соединений меди. Длительное время медь и серебро считались «магическими» металлами, соединения которых могут проявлять свойства суперионных проводников. Однако, после того как была понята природа явления, были открыты и другие материалы со свойствами суперионных проводников. Разберем природу проявления данного явления подробнее.

У серебра и йода довольно-таки большая разница в размерах ионов, поэтому, хотя у иодида серебра кристаллическая решетка такая же, как у фторида серебра, упругие искажения кристаллической решетки велики. Следовательно, потенциальная яма для ионов серебра в решетке иодида серебра мельче, чем в решетке фторида серебра. Поэтому у иодида серебра проявляется эффект суперионных проводников. Итак, для проявления данного эффекта необходимы два условия: наличие ионной связи и большая разница в размерах ионов. Следовательно, свойствами суперионных проводников будут обладать окислы редкоземельных металлов, в которых носителями зарядов будут являться ионы кислорода; алюминат натрия, в котором носителями заряда являются ионы натрия, и так далее.

На основе суперионных проводников можно создавать целый ряд интересных технических устройств. Одним из первых (и самых курьезных) предложений по применению суперионных проводников была идея знаменитого теоретика, открывшего третье начало термодинамики, Нернста. Он предложил использовать окислы редкоземельных металлов для изготовления нитей накаливания ламп освещения. Идея была запатентована, и производители ламп накаливания выкупили патент, причем совершенно зря выкупили. Переход в состояние суперионных проводников у оксидов редкоземельных металлов наблюдается при температурах, превышающих 600 С. Иначе говоря, для того чтобы включить такую лампочку, нужно предварительно разогреть спираль до 600 С. Для того, чтобы свет испускаемый лампочкой, был как можно ближе к солнечному спектру, температура нити накаливания должна быть 2400 - 2600 С, следовательно, достаточно трудно, вернее, невозможно, найти материал для подогревателя спирали, который работал бы при таких температурах в окислительной среде.