Диссертация (1144348), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Поскольку при изменитемпературымодификациивидакривойсвободнойэнергииотпараболического, соответствующего параэлектрической фазе, к двухямномупроисходит непрерывно, возникновение спонтанной поляризации такжепроисходит монотонно, без скачка. Такой переход определяется как фазовыйпереход второго рода, который характеризуется непрерывным изменениемполяризации в точке Кюри (см. Рис. 1.1.2). Двухъямный вид кривой F(P)также может быть использован для объяснения петли гистерезиса, котораявозникает, когда внешнее электрическое поле применяется для переводаобразца из одного поляризованного состояния в другое, посколькупреодоление энергетического барьера требует определенного количестваэнергии (см.
Рис. 1.1.3).14Рис. 1.1.2. Зависимость свободной энергии от поляризации (а), температурныезависимости спонтанной поляризации (б) и восприимчивости (с) для фазового переходавторого рода [12].Равновесное состояние системы соответствует минимуму потенциальнойкривой, который должен удовлетворять условию:= 0. Из этого следует: = 0 ( − 0 ) + 3 + 5Откудаможнозаписатьвыражениедлядиэлектрическойвосприимчивости выше температуры Кюри:=1=| =0 0 ( − 0 )Данное выражение позволяет получать значения коэффициента a0 изэкспериментальныхпроницаемости,температурныхатакжезависимостейобъясняетдиэлектрическойвозникновениеаномалиидиэлектрического отклика при сегнетоэлектрическом фазовом переходе.15Рис.
1.1.3. Типичная петля гистерезиса поляризации сегнетоэлектрика. Такжеприведены соответствующие кривые двухъямных кривых F(P) системы. Заметим, что P0 остаточная поляризация, соответствующая спонтанной поляризации при нулевом поле E =0; и E0 - коэрцитивное поле, которое соответствует величине электрического поля,достаточного для поворота поляризации [12].Фазовые переходы первого рода. Температурный гистерезис.В случае, когда коэффициент b в разложении (1.1.2) отрицателен b<0,кривая F(P) принимает форму с локальным минимумом еще до того, каккоэффициент при квадратичном члене разложения а0 изменяет знак (рис.1.1.4).
Поэтому, когда температура опускается ниже точки Кюри, двухямнаяконфигурация зависимости F(P) становится энергетически более выгодной,чем конфигурация соответствующая параэлектрической фазе, спонтаннаяполяризация появляется скачком. Такой фазовый переход определяется какфазовый переход первого порядка.Заметим, что поскольку при фазовом переходе первого рода на кривойприсутствуют локальные минимумы, то низкотемпературная фаза можетсуществовать при температурах выше точки Кюри TC как метастабильнаяфаза, и наоборот, высокотемпературная фаза может сохраняться ниже TC какметастабильная. На практике это приводит к тому, что если системанагревается из сегнетоэлектрического состояния, переход происходит принесколько более высоком значении температуры по сравнению со случаемохлажденияизпараэлектрическойтемпературным гистерезисом.16фазы.ЭтотэффектназываетсяРис.1.1.4 Зависимость свободной энергии от поляризации (а), температурные зависимостиспонтанной поляризации (б) и восприимчивости (с) для фазового перехода первого рода[12].Сегнетоэлектрические доменыВконечномсегнетоэлектрическойсегнетоэлектрическомтонкойпленке),образцесуществование(например,спонтаннойполяризации PS приводит к появлению поверхностного заряда на верхней инижней поверхности образца, что вызывает возникновение деполяризующегополя Ed, направление которого противоположно направлению спонтаннойполяризации PS.
Согласно уравнению (1.1.2), это приведет к увеличениюсвободной энергии, поэтому система будет стремиться минимизироватьэнергию, компенсируя деполяризующее поле. Один из способов добитьсяэтого - сформировать домены. Домены - это области с одинаковыминаправлениями поляризации. Спонтанные поляризации в разных доменахсвязаны друг с другом по направлениям, что приводит к формированиюсистемы доменов и уменьшению величины деполяризующего поля.
Соседниедомены разделены границами (как правило, толщиной порядка несколькопостоянных элементарной ячейки), называемыми доменными стенками. Взависимости от углов между поляризациями в соседних доменах существует180 °, 90 °, 101 °, 79 ° и другие доменыНа рисунке 1.1.5 приведена схематическая иллюстрация 90 ° и 180°доменов.17Рис. 1.1.5 Иллюстрация 90 ° и 180° доменов.
Направление спонтанной поляризацииуказано стрелками.Сегнетоэлектрики типа смещения и порядок-беспорядок.Спонтанная поляризация сегнетоэлектрических кристаллов формируетсяпутем дальнодействующего упорядочения диполей элементарных ячеек. Сатомистической точки зрения такие диполи возникают при смещениицентров положительных зарядов относительно центров отрицательныхзарядов в элементарных ячейках.
В параэлектрической фазе кристалл можетлибо вообще не иметь дипольного момента единичной ячейки, либо иметьслучайно ориентированные диполи, суммарный дипольный момент которыхравен нулю. Следовательно, исходя из того, является ли кристалл впараэлектрической фазе микроскопически неполярным или же он неполярентолько в смысле макроскопического среднего, можно классифицироватьсегнетоэлектрики на сегнетоэлектрик типа смещения и типа порядокбеспорядок [10].1.2Обзорисследованиюэкспериментальныхсвойствитеоретическихмикроразмерныхработпосегнетоэлектрическихкомпозитных материалов.Композиты могут быть определены как гетерогенные системы,состоящие из двух или более компонентов, отличающихся по химическомусоставу и свойствам, а также разделенных выраженными границами раздела.Для композитных материалов характерны две следующие особенности[13,14]. Характерные размеры отдельных структурных элементов малы по18сравнению с размерами всего образца, но в то же время велики по сравнениюс атомными/молекулярными масштабами, что позволяет рассматривать ихкак сплошную среду.
Таким образом, для описания композитов применимыфизические законы для сплошных сред. [14-17]Каждый компонент композита представляет собой набор структурныхэлементов с одинаковыми физическими константами. Эти элементы могутбыть распределены равномерны или иррегулярно, иметь случайную илипеременную форму. Композит как целое может быть описан набороммикроструктурных характеристик/величин, таких как связность, объемныедоли компонентов, пространственное распределение компонентов и др.Посвязностиструктурныхэлементовклассифицировать на три большие группы.композитыможноПервая группа – матричныекомпозиты, в которых один компонент образует монолитную структуру/систему – матрицу, а структурные элементы остальных компонентовизолированы друг от друга и формируют систему изолированных включений.Вторую группу составляют композиты, в которой каждый из компонентовформирует монолитную взаимосвязанную структуру.называютвзаимопроникающими.УтретьейТакие композитыгруппыкомпозитовструткруные элементы компонент не являются изолированными либовзаимопроникающими.По форме и размеру структурных элементов можно выделить группызернистых, волокнистых и слоистых композитных материалов.
У зернистыхкомпозитов размеры структурных элементов одного порядка величины вовсех трех измерениях. Если размер элемента в двух направлениях намногоменьше, чем в третьем, то такие композиты относят к волокнистым.Кслоистым относят композиты, в которых размеры структурных элементов вдвух направлениях намного больше третьего.Поискматериалов,пьезоэлектрическимивнедрениюобладающихсвойствами,гетерофазныхспецифическимиувеличилинтерессегнетоэлектрических19ксегнето-иизучениюикомпозитов.Большойинтерес к исследованию свойств сложных композитных соединений впоследнее время связан не только с тем, что такие структуры имеютаномальные свойства по сравнению с «обычными», однородными по составувеществами. Другой причиной является то, что подобные соединения могутоказаться значительно более дешевыми, чем однородные структуры, приусловии, что композит по ряду физических показателей и в диапазонезаданных параметров (температуры, частоты приложенного поля и т.д.)идентичен однородным веществам.Первымиискусственносозданнымигетерогеннымисегнетоэлектрическими материалами была поликристаллическая керамика,состоящая из случайно ориентированных кристаллитов, разделенныхмежкристаллитными границами.
[18-20]. Специальные методы обработки,используемые для создания этих материалов, позволяют не только решатьпроблемы повышения прочности синтезированных материалов, но иполучатьплавныетемпературныезависимостииизотропиюихэффективных характеристик, что важно для практического применения.Наблюдаемыепостоянная,значенияэлектрическихмакроскопическаявеличинполяризация,(диэлектрическаякоэрцитивноеполе)иэлектромеханические характеристики, такие как пьезоэлектрический отклик,существенно зависят от размера зерен керамики [21-28]. Эта зависимостьнеоднозначно, существуют примеры как увеличения [29-32], так иуменьшения [33,34] диэлектрической проницаемости с уменьшением размеразерна.Рассмотренные выше аномалии, а также другие явления в гетерогенныхматериалахобъясняютсявзаимодействийвтакихрассматриваетсяувеличениеувеличениемсистемах,ролисредиконцентрацииприповерхностныхкоторыхдефектовтрадиционновблизиграницразмеразеренразличных областей в гетерогенных материалах [35 -37].Зависимостьдиэлектрическогооткликаотсегнетоэлектрической керамики впервые была обнаружена в 1954 [38].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
