Пьезоэлектрики и другие нецентросимметричные диэлектрики

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Пьзоэлектрики и другие диэлектрики с нецентросимметричной структурой - кристаллы, поляризованная сегнетокерамика, электреты, жидкие кристаллы относятся к разряду «активных материалов». Активный диэлектрик способен генерировать, преобразовывать или усиливать электрические сигналы в электрических цепях.

Кроме индуцированной внешним полем поляризации в активных диэлектриках возможна вынужденная поляризация, возникающая под действием механических напряжений, изменении температуры, облучении. В некоторых диэлектриках наблюдается «внутренняя» поляризация, существующая без каких -либо внешних воздействий - из-за особенностей кристаллической структуры. Она характеризуется величиной спонтанной поляризованности . «Внутренняя» поляризация может возникать в результате специальной обработки диэлектрика. Рассмотрим далее основные виды внутренней поляризации в нецентросимметричных диэлектриках.

Пьезополяризация возникает за счет механического смещения связанных заряженных частиц кристалла. В центросимметричных кристаллах этого вида поляризации нет, т.к. смещения отрицательных и положительных зарядов взаимно компенсируют возникающие дипольные моменты.

Пирополяризация проявляется в кристаллах - пироэлектриках, где существует внутренняя «спонтанная» поляризованность , величина которой изменяется при изменении температуры. обусловлена несимметричным расположением зарядов в кристаллической решетке. В симметрии кристалла - пироэлектрика можно выделить так называемую полярную ось.

Фотополяризация возникает при освещении кристалла или облучении его более жестким излучением (ультрафиолет, рентгеновские или - лучи).

Остаточная поляризация может возникать из-за перераспределения заряженных частиц или дефектов. Материалы, где остаточная поляризация реализуется (электреты) находятся в термодинамически неустойчивом состоянии, которое существует длительное время и может быть разрушено.

Рассмотрим основные виды внутренней поляризации подробнее.

Пьезополяризация

Кристалл - пьезоэлектрик подвергается внешнему воздействию механическим напряжением или электрическим полем Е.

Прямой пьезоэффект. Пьезополяризация возникает как следствие механического воздействия (при Е=0):

( (1)

где - пьезомодуль, тензорная величина 3-го порядка, - тензор внешнего механического напряжения, - пьезополяризация.

Пьезополяризация фиксируется по проявлению зарядов на электродах конденсатора с пьезоэлектриком, подверженного механическому воздействию. Свободная механическая деформация кристалла также ведет к возникновению пьезополяризации:

(2)

кристаллический пироэлектрик фотополяризация

где - пьезокоэффициент, - тензор деформации.

Деформация и механическое напряжение связаны законом Гука:

, (3)

где - модуль упругости (тензор 4-го ранга).

Из (1)-(3) следует, что через модуль упругости связана с

. (4)

Пьезоэффект возможен в 20 нецентросимметричых кристаллических классах, а также в нецентросимметричных структурах, называемых текстурами. Пример текстуры - поляризованная сегнетопьезокерамика.

Рассмотрим простейшую одномерную модель нецентросимметричного ионного кристалла (модель кварца). Шестигранные структурные элементы нецентросимметричны, из них составили цепочку из п штук. Трансляция структуры кристалла (), где а - размер элемента, в - расстояние между соседними элементами, длина цепочки l=n(a+b).

Структурные элементы - гексагональные элементарные ячейки, в которых чередуются положительные и отрицательные заряды (см. рисунок 1.). Без внешнего воздействия электрический момент ячейки равен нулю, он равен нулю и во всей цепочке. Пусть цепочку растянули на (считаем связи жесткими, т.е. - постоянная величина и не зависит от механического напряжения). Каждая элементарная ячейка деформируется на . В ячейке индуцируется диполь:

,

где - эффективный заряд ионов. При сжатии знак наведенного момента поменяется. Относительная деформация ячейки и всей цепочки одинакова:

,

а поляризованность

. (5)

Обратный пьезоэффект. Так как цепочка - диэлектрик разомкнута на концах, то появление поляризации есть ни что иное, как появление электрического поля. Переходя к трехмерному кристаллу получим еще одно уравнение пьезоэффекта:

, (6)

где - пьезоконстанта деформации.

Если кристалл электрически разомкнут и зажат, т.е. - постоянное, то

, (7)

где - пьезоконстанта напряжения.

Рисунок 1. - модель пьезоэлектрического кристалла : а - линейная цепочка ячеек, б - ячейка без воздействий, в - растяжение ячейки, г - сжатие ячейки, д - зависимость поляризованности от деформации

Выбор знака в уравнениях (1, 2, 6, 7) условен и определяется согласованием направленности деформации и возникающего электрического поля.

Между константами есть определенные связи, которые вытекают из уравнений (1, 2, 6, 7):

. (8)

Таким образом, в зависимости от механических и электрических условий при исследовании прямого и обратного эффекта возможны четыре идеализированных варианта: кристалл электрически разомкнут или замкнут, механически зажат или свободен. Естественно, механические и электрические условия могут комбинироваться.

Пьезокристаллы - минералы или искусственно синтезированные вещества. Это кварц , дигидрофосфат калия , дигидрофосфат алюминия и т.п. В технике широко применяется сегнетокерамика, образцы которой после поляризации приобретают пьезоэлектрический эффект. Из нее изготавливают мощные излучатели и приемники ультразвука, стабилизаторы частоты, трансформаторы, фильтры, пьезодвигатели и т.п..

Пирополяризация.

Пироэлектричество - изменение при изменении температуры. Характерная особенность кристаллической структуры пироэлектриков - наличие полярных осей, которые, т.е. пироэлектрики относятся к классу пьезоэлектриков. Из 20 пьезоэлектрических классов 10 пироэлектрические. Как среди минералов, так и среди синтезированных искусственно кристаллов, пироэлектрики большая редкость. Это турмалин, а также синтезированные - сульфат лития и виннокислый калий.

Рассмотрим механизм пирополяризации на простой модели одномерного полярного кристалла (см. рисунок 2.). Цепочка диполей длины:

Рисунок 2 - Модель пироэлектрического кристалла: а - система диполей, б - ориентация диполей при Т=0, в и г - разные степени теплового разупорядочения диполей, д - зависимости .

,

- число ячеек, а - расстояние между центрами положительных и отрицательных ионов, составляющих диполь, - расстояние между соседними диполями. В нашей модели кристалла есть полярная ось - вдоль цепочки, чего не было у пьезоэлектрика кварца. На рисунке 2. а, б, в, г схематически показано, как проявляется тепловое разупорядочение (по мере роста температуры). Кроме этого фактора, ведущего к снижению , есть и линейное тепловое расширение, которое при нагреве также приведет к снижению . Следствием теплового разупорядочения является «первичный» пироэффект, следствием теплового расширения - «вторичный» пироэффект.

На рисунке 2, д показана зависимость , характерная для пироэлектриков. При росте температуры от до спонтанная поляризованность изменяется на . Повышение Т ведет к росту интенсивности теплового движения, что вызывает отклонение диполей от полярной оси. По аналогии с задачей об упругой тепловой поляризации можно записать, что дипольный момент каждого диполя изменяется на величину:

,

где - угол отклонения диполя от полярной оси. Так как угол мал, то его можно считать пропорциональным интенсивности теплового движения, т.е. , поэтому ведет к , где - коэффициент первичного пироэффекта. Рассмотрим вторичный пироэффект. Кристалл испытывает при нагреве удлинение вдоль полярной оси , где - коэффициент линейного расширения.Деформация ведет к пьезополяризации:

,

где - коэффициент вторичного пироэффекта.. С учетом обоих эффектов, приводящих к пироэффекту, можно записать

. (9)

Отметим, что вторичный пироэффект дает заметный вклад в общий пироэффект, составляющий до 17 % величины коэффициента .

Также как и пьезоэффект, пироэффект необходимо исследовать при определенных граничных условиях. Тепловой режим может устанавливаться в адиабатических (изменения энтропии системы равны нулю) или изотермических (температура зафиксирована) условиях. Электрические условия - режим короткого замыкания кристалла () или разомкнутого кристалла (изменения поляризованности отсутствуют). На практике эти условия комбинируются. Для пироэффекта, в большинстве случаев, характерна линейная зависимость электрического сигнала от изменения температуры, что находит широкое применение для измерения температуры и создания тепловизоров.

Остаточная поляризация. Фотополяризация.

Остаточная поляризация создается в твердом диэлектрике посредством какого - либо активирующего воздействия в присутствии внешнего электрического поля и затем сохраняется на более или менее длительный срок после выключения поля и активирующего воздействия. Диэлектрик становится электретом. Фотоэлектреты получают из диэлектриков с повышенной фотопроводимостью. Одновременное воздействие света и внешнего поля приводят к перераспределению носителей заряда, которые генерируются светом. После выключения воздействий в диэлектрике остается электрическое изображение, которое можно проявить, например, с помощью осаждения порошков. Частицы порошка, электризуясь, притягиваются к той поверхности диэлектрика, где поле и освещенность вызвали остаточную поляризацию. Это принцип работы широко известной ксерографии. Фотоэлектретное состояние в диэлектрике можно разрушить сильным электрическим полем или сплошной засветкой фоточувствительной диэлектрической пластины.

Термоэлектреты получают, если диэлектрик, находящийся под воздействием внешнего поля, нагревают. Нагрев активирует тепловые виды поляризации и в диэлектрике накапливаются объемные заряды. После такой температурной поляризации диэлектрик охлаждают и поляризованное состояние оказывается замороженным, т.к. время релаксации медленных механизмов тепловой поляризации снижается при охлаждении в раз. Термоэлектрет может долго сохранять поляризованное состояние, создавая постоянное электрическое поле в диэлектрике, что используется в различных датчиках, телефонах, фильтрах и т.п.

Изменение поляризованности диэлектриков возможно также при воздействии на них интенсивных световых потоков (лазерного излучения). Таким способом индуцируется изменение двойного лучепреломления ) - фоторефракция. Этот эффект особенно сильно проявляется в кристаллах сегнетоэлектриках, отличающихся большими значениями спонтанной поляризованности . Примером может служить кристалл , в котором создавались донорные ловушки, в качестве которых выступали примеси . Свет срывает электроны с этих ловушек и под действием внутреннего поля они мигрируют в затененную область кристалла. Возникает некоторое распределение объемного заряда: освещенные области заряжены положительно, затемненные - отрицательно. Поле объемных зарядов отражает распределение интенсивности падающего на кристалл света. Это поле изменяет локальное распределение показателя преломления, что используется для считывания записанной голограммы. Лазерное излучение создает в кристалле огромные по значению напряженности электромагнитного поля. В нецентросимметричных кристаллах под действием этих полей упругие виды поляризации из линейного эффекта становятся нелинейными. Кристалл взаимодействует с электромагнитным излучением в этом случае подобно тому, как это происходит с нелинейными элементами электросхем в области низких частот, т.е. он приобретает способность детектировать сигнал. Следствием этого является очень важный эффект - генерация второй гармоники, с помощью которого можно удваивать частоту излучения лазера, исследовать структуру кристалла на предмет наличия центра симметрии, а также детектировать оптический сигнал в оптических линиях связи.

Размещено на Allbest.ru