9diel (Презентации лекций)

Диэлектрические материалы-Диэлектрические характеристики.-Сегнето-, пьезо- и пироэлектрики.-Сегнетоэлектрики-полупроводники,сегнетомагнетики.-Пьезокомпозиты.Лекция 9. ДиэлектрикиОпределенияДиэлектрики – материалы, не проводящие электрического тока.МеталлыПолупроводникиДиэлектрикиНосителей в м31028 (Cu)1019109Ширина запр.зоны, эВ- (перекрывание зон)1.1 (Si), 0.7 (Ge), …6 (алмаз)Отношение к сильному полю – изолирующие свойства(способность противостоять высоким напряжениям бездеградации и перехода в проводящее состояние, пробой:электрический, термический, электрохимический). Переменноеполе – низкие диэлектрические потери (в виде тепла).

Верхнийпредел электрической прочности – 109 В/м, KCl (100 МВ/м), LiF(310 МВ/м), кварц (600 МВ/м), слюда (1000 МВ/м), орг.стекло(1200 МВ/м).Лекция 9. ДиэлектрикиПоляризация в диэлектрикахЕмкость Cвак = eвакS/d,ε = С / Свакε ~ 1 (воздух)ε ~ 5…10 (ионные соед-я)ε~ 103...104 (сегнетоэл-ки)Кристалл – анизотропнаясплошная среда → тензорыP = αE, D = E + P, D = εE (векторы)E – напряженность электрического поля внутри диэлектрика, P – поляризация,D – электрическая индукция, α - поляризуемость, ε - диэлектрическая проницаемостьЛекция 9.

ДиэлектрикиВклад в поляризациюе – смещение электронных оболочекi – смещение катионов и анионовd – переориентация диполейs – объемное перетекание зарядаХороший диэлектрик: e + iРелаксационные явления: d + s (=f(T))На низкой частоте для «хорошего диэлектрика» αe+ αi = ε0’,в области оптических частот αe → ε∞’ = n2 (коэфф. преломл.)Лекция 9.

ДиэлектрикиФормулыСлабополяризованная среда, изотропный диэлектрик:M/ρ * (ε-1)/(ε+2) ~ N0η/3 (Клаузиус-Моссотти),M – молекулярная масса, ρ - плотность, N0 – число Авогадро, η - поляризуемостьотдельной микрочастицыn2 = ε,оптические частоты, смещение электронных оболочек, неполярные молекулы(алмаз, нафталин, парафин)εs = n2 + 2πe2/(w02a3) * (1/m1 + 1/m2) (Борн),e – заряд иона, w0- частота собственных колебаний решетки, a – расстояние междуионами, m – массы ионов.Пример:NaCl. n = 1.5, n2 = ε∞ = 2.25, а εs = 5.62. Вклад второго слагаемого 2.7. 2.7 + 2.25 ~ 5.Релаксационная поляризация (...тепловое движение структурных единиц):ε- 1 = N (η0 + µ2/kT) (Ланжевен-Дебай)N – число частиц в единице объема, µ - дипольный момент диполя, η0 - ионнаяполяризуемость.Лекция 9.

ДиэлектрикиДиэлектрические потериДиэл. потери – часть энергиипеременного электрическогополя, преобразующаяся втепло = потери проводимости(пост. ток) + потери из-заактивной составляющей токасмещения («запаздывание»,переполяризация,релаксационные явления).При 900 между V и i потериминимальны.При отклонении от 900 (угол δ)tg δ характеризует отношениетоков в фазе с напряжением иемкостной составляющей,отстающей по фазе на 900.Лекция 9. ДиэлектрикиСоставляющиеε’ = ε∞’ + (ε0’- ε∞’)/(1+w2τ2)ε = ε’- i ε’’τ- время релаксации,W=0.5wε0ε’’E02ε’’ = (ε0’- ε∞’)wτ/(1+w2τ2)ПолистиролСтеклоФарфорЛекция 9. Диэлектрикиε’2.56.69.0tgδ (1 кГц)0.00020.0050.0015ПироэлектрикиdPs = p dT, p – пироэлектрический коэффициентКристаллическая структура:отсутствие центра симметрии,одна полярная ось.Направление поляризации не изменяется электрическим полем.Изменение размеров при нагревании → изменение числа зарядов идиполей в единице объема → деформация кристалла и пьезоэлектрическийвклад (вторичный пироэлектрический эффект).

Изменение строения /геометрии структурных единиц кристалла (кислородных тетраэдров и пр.) в«зажатом» кристалле → первичный эффект (2-5%).Пластинка турмалина перпендикулярно пироэлектрической оси (1 ммтолщины) при нагревании на 100С дает разность потенциалов в 1200 В.Пироэлектрическими свойствами обладают все кристаллы со спонтаннойполяризацией, а пироэлектрический эффект есть изменение спонтаннойполяризации с температурой.Обратный эффект – электрокалорический: dT = q dEq = - p T / ρCJ,ρ - плотность, C – теплоемкость, J – механический эквивалент теплаЛекция 9. ДиэлектрикиПьезоэлектрикиP = с1t = c2r, E = - c3r = -c4t (прямой эффект),с - пьезоэлектрические коэффициенты (тензоры), Е – напряжение,P – поляризуемость, t – механическое напряжение, r – деформацияr = с’1E = c’4P, t = - c’2E = -c’3P (обратный эффект)Кристаллическая структура:отсутствие центра симметрии,«деформирующиеся» структурныеединицы (тетраэдры в ZnO, ZnS, SiO2).Электрострикция – деформация диэлектрика, пропорциональная квадратунапряженности электрического поля (не есть то же самое, что обратныйпьезоэффект), может наблюдаться в любом диэлектрике, даже сцентросимметричной ячейкой.Лекция 9.

ДиэлектрикиПьезокварц α-кварц (<573 С),0ромбоэдр. C3121, a=4.90A,c=5.39A – винтовой мотивпо оси с с пустотами вцентре утроеннойгексагональной ячейки.-твердость 7 по Моосу,-водонерастворим,-устойчив в кислотах,-tпл ~ 17000C-малый КТР ~ 8-13*106 К-1-изолятор, 1014-1015 Ом*см-устойчивость свойствПластинка толщиной 1 см,усилие 1 кг/см2 создаетсяразность потенциалов в 60В. Генераторы, фильтры,датчики, пошаговыемоторы.Лекция 9. ДиэлектрикиСегнетоэлектрики (“ферроэлектрики”)Приложенное поле (1) изменяет направление поляризации доменов(«разворот»), (2) увеличивает степень поляризации внутри доменов «пополю», (3) приводит к движению доменных стенок и росту доменов.Лекция 9. ДиэлектрикиСпонтанная поляризация и фазовые переходыЗакон Кюри-Вейса:ε = С / (T-Tcw),T>Tcw,Tc=Tcw(ф.п. II рода),Tc > Tcw(ф.п. I рода)Основные «механизмы» спонтанной поляризации:1.

ф.п. со смещением (перовскиты, Ti4+ внутри кислородных октаэдров)2. ф.п. типа «порядок-беспорядок» (протоны в дигидрофосфатах, поворот радикалов вNaNO2 в результате их заторможенного вращения)Лекция 9. ДиэлектрикиГистерезисПироэлектрики –часть пьезоэлектриков(обратное неверно),сегнетоэлектрики –и пиро-,и пьезоэлектрики.Ps – поляризация насыщенияPR – остаточная поляризация(после снятия поля)Ec – коэрцитивная сила («стирание»остаточной поляризации)Поляризация сегнетоэлектриков –особый тип поляризации, доменный.Приложение поля вызываеториентацию доменов по полю имакрополяризацию.

Разбиение надомены – понижение энергии за счет«внутреннего» замыкания поля(условие электронейтральностиграниц доменов: «голова к хвосту»).В стенках доменов запасается восновном упругая энергия.Лекция 9. ДиэлектрикиПримеры соединенийКлассПеровcкитыВольфрамовые бронзыПирохлорыДругие оксидыФторидыБорацитыГалогенводородыХалькогенгалогенидыСолиОрганические (триглицинсульфат)cоединения(сегнетова соль)(Антисегнетоэлектрики)СоединениеBaTiO3PbTiO3NaNbO3LiNbO3PbTa2O6NaBa2Nb5O15Cd2Nb2O7Bi4Ti3O12Gd2(MoO4)3BaZnF4Mg3B7O13ClHClSbSINaNO2KH2PO4(NH4)2SO4(NH2CH2COOH)3*H2SO4NaKC4H4O6*4H2ONaNbO3PbZrO3NH4H2PO4Лекция 9.

ДиэлектрикиТс, 0С120,…490-2001210260560-88675159265-17520163-150-494924354230-125Ps, мкКл/см2 (T)26 (23)50 (23)12 (-200)10 (25)406 (-185)309.721.225 (0)8 (100)4.75 (-177)0.62 (-52)2.8 (20)0.25 (5)Сегнетова соль (структура)KNaC4H4O6*4H2OЛекция 9. ДиэлектрикиСегнетова соль (поляризация)Лекция 9.

ДиэлектрикиТитанат бария (структура)Тетрагональнаямодификация:смещение Tiна 0.13А, угол171028’ –поляризациявдоль оси 4порядкаПеровскиты: крупные ионы в А-позиции (K+, Ba2+, Pb2+, но не Ca2+),расширяющие решетку, небольшие ионы в В-позиции (Ti4+, Nb5+) внутрикислородных октаэдров – есть свобода смещения внутри октаэдров.Пирохлоры: Cd2Nb2O7, Pb2Nb2O7. и пр...Лекция 9. ДиэлектрикиТитанат бария (ячейки)МногоосныйсегнетоэлектрикBmm2R3mPm3mP4mmЛекция 9.

ДиэлектрикиТитанат бария (поляризация)Диэлектрическая(ие) проницаемость(и) наиболеевелика(и) в точках сегнетоэлектрических фазовыхпереходов. В точках переходов для BaTiO3наблюдается температурный гистерезис поляризации.Лекция 9. ДиэлектрикиТитанат бария (домены)Лекция 9. Диэлектрики«ЦТС» (PZT) (фазовая диаграмма)ПромышленныйсоставЛекция 9. ДиэлектрикиФазовые переходыЛекция 9. ДиэлектрикиДигидрофосфаты (структура)12KDP, сегнетоэлектрик (42m → Fdd,-1510C), трехмерный каркас с вод.

св.ADP, антисегнетоэлектрикУпорядочение положений протонов →Смещение фосфора в тетраэдрах(противоположно смещению катионоввнутри каркаса) → Дипольные моменты1- «ближний»,2 лок. мин.2 – «дальний» протоныЛекция 9. Диэлектрики–O-H… O= 2.48А, смещ. 0.5ААнизотропия и доменыЛекция 9. ДиэлектрикиВзаимосвязь эффектовСовместноевлияниеразличных ф/хвоздействий –генерация«коррелирующих»потоков присуществованииненулевыхсопряженныхкоэффициентов.Лекция 9.

ДиэлектрикиПрименение••••••••Электрические конденсаторы (сегнето-)Позисторы (термисторы), ограничители предельно допустимоготока (сегнето-)Генераторы ВЧ и пошаговые моторы (пьезо-)Микрофоны, наушники, датчики давления (пьезо-)Частотные фильтры (пьезо-)Детекторы ИК-излучения, болометры (пиро-)Запоминающие устройства (сегнето-), Ferroelectric RAM (FeRAM)Электрооптические модуляторыМатериалы:Керамика, стеклокерамика – конденсаторы...Монокристаллы – генераторы...Пленки – запоминающие устройства, болометры...Модификация состава (Ba1-xAxTiO3, Pb(Zr,Ti)O3):Варьирование параметров поляризуемости, критической температуры,диэлекрической проницаемости, пьезо- и пироэлектрических коэффициентов,коэрцитивной силы, микроструктуры, прозрачности.Лекция 9.

ДиэлектрикиКонтрольные вопросы1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.Назовите возможные составляющие поляризуемости диэлектриков. Счем связана остаточная поляризация и наличие петли гистерезисасегнетоэлектриков (опишите основные точки петли гистерезиса)?В чем различия между пьезо-, пиро-, сегнето-, сегнети- иантисегнетоэлектриками? Что из них является подклассом друг друга?Почему сегнетоэлектрики разбиваются на домены? Какой тип энергиизапасается в стенках доменов?Каковы основные механизмы спонтанной поляризации и для какихклассов соединений они наиболее характерны (примеры)?Почему диэлектрическая проницаемость особенно велика вблизиточки Кюри?В каком случае температура Кюри(Вейса) не совпадает с Тс и почему?Почему дигидрофосфат аммония не обладает пироэлектрическимисвойствами? В каком случае титанат бария может обладатьмакроскопически пироэлектрическими свойствами?Что такое «истинный» и «ложный» пироэлектрический эффекты?Объясните особую форму петли гистерезиcа цирконата свинца (всильных полях).Что такое сегнетомагнетики?Лекция 9.

ДиэлектрикиЛитература1. А.Вест, Химия твердого тела, т.2, М.:Мир,1988, 334 с.2. Дж.Блейкмор. Физика тв.тела. Мир, Москва,1988, С.3253. Ю.И.Сиротин, М.П.Шаскольская, Основыкристаллофизики, М.:Наука, глав. ред. ф.-м.лит., 1979, 639 с.4. Современная кристаллография.

Т.4.Свойствакристаллов, М.: Наука, 1980Лекция 9. Диэлектрики.