9diel (1097116)
Текст из файла
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.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
