Териалы электронной техники

• Название: Териалы электронной техники
• Дата: 02.03.2022
• Размер: 2.56 Mb.
• Имя файла: MET_docx.doc
• Тип: Практикум; #379289
• страница: 7 из 10

5.5. Контрольные вопросы

1. 
   Дайте определения относительной диэлектрической проницаемости ε. Назовите основные виды поляризации диэлектриков.
   
2. 
   Каковы механизмы диэлектрических потерь? В каких диэлектриках и при каких условиях эксплуатации проявляется каждый из них?
   
3. 
   Дайте определение температурного коэффициента диэлектрической проницаемости. Какой из исследованных конденсаторных материалов обладает наилучшей температурной стабильностью?
   
4. 
   Какие свойства диэлектрических материалов влияют на значение емкости конденсаторов?
   
5. 
   Почему емкость конденсатора, изготовленного из слюды, с увеличением температуры возрастает, а у конденсатора из полипропилена емкость с повышением температуры уменьшается?
   
6. 
   Чем объясняется наличие максимума в зависимости для сегнетоэлектрического конденсатора?
   
7. 
   Где применяются материалы, исследованные в работе; каковы их электрические и физико-механические свойства?
   
8. 
   Какие из материалов, исследованных в работе, можно отнести к высокочастотным диэлектрикам?
   

6. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: исследование особенностей переполяризации сегнетоэлектриков осциллографическим методом и зависимостей диэлектрической проницаемости от напряженности поля и температуры.
6.1. Основные понятия и определения

Сегнетоэлектрическими называют материалы, обладающие в отсутствие внешнего электрического поля спонтанной поляризацией в определенном интервале температур, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля. Спонтанная поляризация в сегнетоэлектриках возникает благодаря смещению ионов или упорядочению атомных групп, обладающих дипольным моментом. Разбиение кристалла на домены, т. е. области с различным направлением спонтанной поляризованности, уменьшает электростатическую энергию сегнетоэлектрика и поэтому энергетически выгодно. Однако, по мере разбиения кристалла на домены, увеличивается энергия, необходимая для образования доменных стенок и, таким образом, доменная структура определяется энергетическим компромиссом между этими факторами. Кроме того, на формирование доменной структуры влияет и наличие механических напряжений.

Спонтанная поляризация в кристалле возникает в определенном кристаллографическом направлении, которое называется осью спонтанной поляризации. Поэтому число возможных направлений электрических моментов у доменов и доменная структура кристаллов зависят от числа осей спонтанной поляризации. Например, в одноосных сегнетоэлектриках типа триглицинсульфата (NH₂CH₂COOH)₃∙H₂SO₄ домены имеют форму стержней с овальным сечением (рис.6.1, а).

Направления спонтанной поляризованности соседних доменов, разделенных 180-градусными доменными стенками, направлены навстречу друг другу. В деполяризованном состоянии суммарные площади сечения доменов с разнонаправленной поляризованностью равны.

В многоосных сегнетоэлектриках, например в титанате бария BaTiO₃, находящемся в тетрагональной сегнетоэлектрической фазе, возможны шесть направлений спонтанной поляризованности, что существенно осложняет их доменную структуру (рис. 6.1, б). В этом случае домены разделяют как 180-градусные, так и 90-градусные доменные стенки.

Воздействие внешнего электрического поля приводит к перестройке доменной структуры, изменяет направление электрических моментов доменов, что создает эффект очень сильной поляризации. Этим объясняются свойственные сегнетоэлектрикам высокие значения диэлектрической проницаемости.

Рис. 6.1. Схематическое изображение доменной структуры в одноосном сегнетоэлектрике – триглицинсульфате (а) и в многоосном сегнетоэлектрике – титанате бария (б) при отсутствии внешних воздействий.

Сегнетоэлектрики обладают рядом специфических, только им присущих свойств. Следствием доменного строения сегнетоэлектриков является нелинейная зависимость поляризованности (а также электрической индукции) от напряженности электрического поля, которая в переменных полях трансформируется в диэлектрический гистерезис, как показано на рис. 6.2. Петля гистерезиса является одной из наиболее важных характеристик сегнетоэлектриков и дает представление о динамической поляризуемости сегнетоэлектриков.

Совокупность вершин гистерезисных петель, полученных при различных значениях амплитуды переменного поля, образуют основную кривую поляризации сегнетоэлектрика.

Рис. 6.2. Типичная предельная петля диэлектрического гистерезиса сегнетоэлектриков

В слабом электрическом поле, когда преобладают процессы обратимого смещения доменных границ, связь между Р и E носит приблизительно линейный характер (участок ОА).

В области более сильных полей (участок АВ) смещение доменных границ уже необратимо. При этом разрастаются домены, у которых вектор спонтанной поляризации имеет наименьший угол с направлением внешнего электрического поля. Здесь кривая поляризации имеет наибольшую крутизну.

По мере дальнейшего увеличения напряженности поля практически все домены оказываются ориентированными по полю, и наступает состояние технического насыщения (в точке С). Некоторое возрастание поляризованности в сегнетоэлектрике на участке СI обусловлено процессами индуцированной (электронной, ионной) поляризации.

Если в поляризованном до насыщения образце уменьшить напряженность поля до нуля, то поляризованность примет некоторое остаточное значение P_r (OD). При воздействии полем противоположной полярности поляризованность быстро уменьшается, и при напряженности поля, большей Е_с(OF), называемой коэрцитивной силой, изменяет свое направление.

При дальнейшем увеличении напряженности поля образец вновь переходит в состояние насыщения (точка G). Таким образом, процесс переполяризации сегнетоэлектриков в переменных полях сопровождается диэлектрическим гистерезисом. Внешнее электрическое поле изменяет направления электрических моментов доменов, что создает сильный поляризационный эффект.

Диэлектрический гистерезис обусловлен необратимым смещением доменных границ и свидетельствует о дополнительном механизме диэлектрических потерь, связанном с затратами энергии на ориентацию доменов.

Площадь гистерезисной петли пропорциональна энергии, рассеиваемой в диэлектрике за один период.

Нелинейность поляризации по отношению к электрическому полю и наличие гистерезиса обусловливают зависимость диэлектрической проницаемости и емкости сегнетоэлектрического конденсатора от режима работы и, в первую очередь, от напряженности поля. Для характеристики свойств материала в различных условиях его работы используют понятия статической, начальной, реверсивной и других диэлектрических проницаемостей.

Статическая диэлектрическая проницаемость ε_ст определяется по основной кривой поляризации:

ε_ст = P/(ε₀E).

Начальной называют диэлектрическую проницаемость ε_нач, измеренную в очень слабых переменных электрических полях.

Реверсивная диэлектрическая проницаемость ε_р характеризует поляризацию сегнетоэлектрика на малом переменном сигнале при одновременном воздействии постоянного поля.

Специфические свойства сегнетоэлектриков проявляются лишь в определенном диапазоне температур. В процессе нагревания наблюдается увеличение диэлектрической проницаемости, пропорционально увеличивается и емкость сегнетоэлектрического конденсатора.

Выше некоторой температуры спонтанная поляризация исчезает. Происходит распад доменов и изменение структуры материала. Температуру Т_К такого фазового перехода называют сегнетоэлектрической точкой Кюри. В точке Кюри диэлектрическая проницаемость достигает своего максимального значения.

Обладая резко выраженными нелинейными свойствами, сегнетоэлектрики проявляют высокую чувствительность к внешним энергетическим воздействиям и, следовательно, могут выполнять функции управляющих или преобразующих элементов.

Как активные диэлектрики сегнетоэлектрические материалы применяются в нелинейных конденсаторах (варикондах), в запоминающих устройствах, в электрооптических модуляторах, датчиках температуры (позисторах), нелинейных СВЧ-элементах и т.д.

В настоящей работе исследование свойств сегнетоэлектрических материалов проводится на примере сегнетокерамики на основе титаната бария.