Учебное пособие по материалке от Дистанционщиков (540408), страница 30
Текст из файла (страница 30)
ХЖК представляют собой «хиральные» НЖК, т.е. лишенные центра симметрии.Фазовые переходы от твердых кристаллов к изотропной жидкости происходятобычно по схеме ТК–СЖК–НЖК–ИЖ, а в веществах с оптически активными молекуламипо схеме ТК–СЖК–ХЖК–ИЖ (ТК–твердый кристалл, ИЖ – изотропная жидкость).Активные диэлектрики оптических квантовых генераторовТвердые диэлектрики для оптических квантовых генераторов (лазеров) являютсяактивной средой, представляющей собой кристаллическую или стеклообразнуюматрицу, в которой равномерно распределены активные ионы (активаторы). Всепроцессы поглощения и излучения света связаны с переходами электронов междууровнями активного иона, при этом матрица играет пассивную роль.
Спектр излучениялазера в основном зависит от типа активного иона. Как вещество кристаллической илистеклообразной основы, так и активаторы должны удовлетворять целому рядуспецифических требований. Свойства некоторых лазерных материалов приведены втаблицеМатрицаРубин Al2О3+0,05% Сг2О3Иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ,YАG) Y3Al5О12АктиваторСг3+Длина волны излучения, мкм0,7Nd3+1,6117Флюорит СаF2Фторид марганца MnF2Стекло Na2О•В2О3•2SiО2U3+2,612+1,933+1,6NiNdСегнетоэлектрикиС е г н е т о э л е к т р и к и - вещества, обладающие спонтанной поляризацией,направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля.Сегнетоэлектрики обладают рядом специфических свойств, которые проявляются лишьв определенном диапазоне температур. Температура Тк (сегнетоэлектрическая точкаКюри) является температурой фазового перехода, ниже этой температурысегнетоэлектрикобладаетдоменнойструктуройихарактернымисегнетоэлектрическими свойствами; выше этой температуры происходит распаддоменной структуры и сегнетоэлектрик переходит в параэлектрическое состояние.Следствием доменного строения сегнетоэлектриков являются нелинейная зависимостьих поляризованности или электрической индукции от напряженности электрическогополя (см.
рисунок), которая носит название диэлектрической петли гистерезиса, и резковыраженная температурная зависимость диэлектрической проницаемости, в котороймаксимумдиэлектрическойпроницаемостидостигаетсяпритемпературе,соответствующей точке Кюри. На рисункеприведены зависимости основныхпараметров сегнетоэлектриков (поляризации, диэлектрической проницаемости, тока инапряжения на обкладках сегнетоконденсатора), характеризующих нелинейныесвойства в зависимости от напряженности электрического поля (зависимости а,б,г,д) ивремени приложения переменного электрического поля (зависимости в и е).118Рис. 5.8. Основные нелинейные свойствасегнетоэлектрикова – диэлектрический гистерезис; б – динамическаянелинейность; в–нелинейный ток черезсегнетоконденсатор; г – эффективная нелинейность; д– реверсивная нелинейность; с – амплитуднаямодуляция.В настоящее время известно несколько сотен сегнетоэлектриков, которые по типухимической связи и физическим свойствам принято подразделять на две группы: 1)ионные кристаллы, к которым относятся титанат бария ВаТiО3, титанат свинца PbTiО3,ниобат калия КNbО3, барий-натриевый ниобат ВаNaNb5О15, или сокращенно БАНАН; идр.; 2) дипольные кристаллы, к которым относятся сегнетова соль NaKC4Н4О6 • 4 Н2О,триглицинсульфат (NН2СН2СООН)3 • Н2SО4, дигидрофосфат калия КН2РО4 и др.Все соединения первой группы нерастворимы в воде, обладают значительноймеханической прочностью, легко получаются по керамической технологии.
Дипольныесоединения, наоборот, обладают малой механической прочностью и растворимостью вводе, благодаря чему можно вырастить крупные монокристаллы этих соединений изводных растворов.Сегнетоэлектрики находят применение: для изготовления малогабаритныхнизкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью; для изготовленияматериалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектрических усилителей,модуляторов и других управляемых устройств; в вычислительной технике - для ячеекпамяти; для модуляции и преобразования лазерного излучения; в пьезо- ипироэлектрических преобразователях.Среди конденсаторной сегнетокерамики можно выделить ряд материалов.Например, Т-900, кристаллическая фаза которого представляет собой твердый раствортитанатов стронция SrТiО3 и висмута Вi4Тi3О12 с температурой Кюри Тк = -140оС.
Этотматериал имеет сглаженную зависимость диэлектрической проницаемости оттемпературы. Для производства малогабаритных конденсаторов на низкие напряженияиспользуют также материал СМ-1, изготовляемый на основе титаната бария с добавкойоксидов циркония и висмута. Для изготовления конденсаторов, работающих прикомнатной температуре, в том числе и высоковольтных, используется материал Т-8000(εr ~ 8000), имеющий кристаллическую фазу на основе ВаТiО3 - ВаZrО3. Точка Кюриэтого материала находится вблизи комнатной температуры.Дляизготовлениянелинейныхконденсаторовприменяютсядругиесегнетоэлектрические материалы, обладающие резко выраженными нелинейнымисвойствами− сильной зависимостью диэлектрической проницаемости от напряженностиэлектрического поля.
Такие материалы называются варикондами. Варикондыпредназначены для управления параметрами электрических цепей за счет измененияих емкости. Сегнетоэлектрики, петля гистерезиса которых по форме близка кпрямоугольной, например, такие, как триглицинсульфат (ТГС), можно применять взапоминающих устройствах ЭВМ.Кристаллы некоторых сегнетоэлектриков и антисегнетоэлектриков имеют сильновыраженный электрооптический эффект (антисегнетоэлектрики, как и сегнетоэлектрики,также имеют доменное строение, однако спонтанная поляризованность каждого доменау них равна нулю, так как дипольные моменты внутри каждого домена сориентированыантипараллельно). Электрооптический эффект заключается в изменении показателяпреломления среды, который вызван внешним постоянным электрическим полем. Онназывается линейным (эффект Поккельса), если показатель преломления изменяется119пропорционально первой степени напряженности, и квадратичным, если наблюдаетсяквадратичная зависимость от напряженности поля (эффект Керра).
Электрооптическиесвойства сегнетоэлектрических кристаллов используются для модуляции лазерногоизлучения, осуществляемого электрическим полем, приложенным к кристаллу. Дляэлектрооптических модуляторов света используют кристаллы ниобата лития LiNbО3,дигидрофосфата калия КН2РО4, прозрачную сегнетокерамику системы ЦТСЛ,представляющую собой твердые растворы цирконата-титаната свинца с оксидомлантана.При легировании сегнетоэлектрической керамики ВаТiО3 и твердых растворовВа(Тi, Sn)О3 и (Ва, Рв)ТiО3 неодимом и марганцем получают материалы, которые посвоим свойствам относятся к сегнетополупроводникам.
В таких материалах, благодарялегированию, возникают донорные и акцепторные уровни, и проводимость повышаетсяв миллиарды раз до значений, соответствующих типичным полупроводникам. Однаковысокая проводимость наблюдается лишь в полярной фазе при температурах нижеточки Кюри. Вблизи точки Кюри проводимость резко уменьшается - в 102 ÷106 раз, илишь при нагреве много выше точки Кюри она снова начинает расти с увеличениемтемпературы. Такой эффект называется позисторным. Керамические элементы позисторы имеют низкое «холодное» и высокое «горячее» сопротивление.
Они широкоприменяются в системах теплового контроля, измерительной технике, в пусковыхсистемах двигателей, для авторегулировки и в других устройствах.ЭлектретыК э л е к т р е т а м относятся диэлектрики, способные длительное времясохранять поляризованное состояние и создавать в окружающем их пространствеэлектрическое поле.Остаточная поляризация в электретах в отличие от пироэлектриков иполяризованных сегнетоэлектриков компенсирована не полностью, что приводит у них котличной от нуля внешней напряженности поля, которая может быть очень высокой.Существуют различные способы получения электретов.
Так, термоэлектретыполучают путем охлаждения в сильном электрическом поле расплава полярныхдиэлектриков;фотоэлектретыизготовляютизматериалов,обладающихфотоэлектропроводностью – серы, сульфата кадмия – при одновременном воздействиисвета и электрического поля; короноэлектреты получают при пониженном давлениигаза в коронном разряде и др.Если заряд в электрете создается за счет различных релаксационных механизмовполяризации, то такие заряды называют гетерозарядами.Эти заряды имеют знак,противоположный знаку заряда электродов. Если заряды переходят на поверхностьтвердого диэлектрика из поляризующего электрода или воздушного зазора и имеют тотже знак, что и электроды, то такие заряды называют гомозарядами.Гомозаряды преобладают у неорганических (керамических) материалов иорганических неполярных диэлектриков, гетерозаряды – у органических полярныхдиэлектриков. Время жизни электретов может достигать в нормальных условияхнескольких лет, но быстро уменьшается с повышением температуры и влажности засчет освобождения и нейтрализации носителей заряда, захваченных ловушками.Если заряд в электрете создается за счет различных релаксационных механизмовполяризации, то такие заряды называют гетерозарядами.Эти заряды имеют знак,противоположный знаку заряда электродов.
Если заряды переходят на поверхностьтвердого диэлектрика из поляризующего электрода или воздушного зазора и имеют тотже знак, что и электроды, то такие заряды называют гомозарядами.120В разной степени электретный эффект присущ всем без исключениядиэлектрикам. Заряды одного знака с электродами− гомозаряды притягиваютсяреальным зарядом вблизи поверхности диэлектрика, возникающим из-за проводимостимежду диэлектриком и электродом, холодной эмиссии на электроды из электродов илиэлектрическому пробою на поверхности.
Гетерозаряд связывается с поляризациейобъема диэлектрика в результате ориентации диполей или разделения зарядов и ихзахвата при приложенном электрическом поле.Фотоэлектреты относятся к гетерополярным электретам, в которых разделениеполяризации вызвано фотовозбуждением свободных носителей заряда и их дрейфом вприложенном электрическом поле.
К этому типу относятся оптически индуцированнаяполяризация в таких материалах как LiNbO3.Ориентация диполей в аморфных гетерополярных электретах напоминаетсегнетоэлектричество, но природа поляризации различна (релаксация со временемдипольной релаксации твердых тел). При температурах, близких к температуреполяризации релаксация происходит очень быстро.Процесс получения электретного состояния состоит обычно в охлажденииматериала в электрическом поле E от температуры T1, где диполи свободно вращаютсядо температуры T2, при которой диполи заморожены в тех или иных положениях(термоэлектреты). Оценить величину поляризации можно непосредственно из формулыДебая для дипольной ориентацииnµ 2 EP=3k Б T3..При условии, что E µ << kб.T.
Здесь n – концентрация полярных молекул, каждаяиз которых обладает дипольным моментом µ, а T3 – температура между T1 и T2, прикоторой замораживаются диполи. Приведенная формула является приближенной ифактически справедлива только для системы хаотически ориентированных свободныхдиполей.Наибольшее практическое применение находят электреты из пленокполиэтилентерефталата (лавсана), фторопласта-4, поликарбоната и др. Электретыприменяются для изготовления микрофонов, телефонов, дозиметров радиации,влажности, электрометров в электрофотографии и во многих других случаяхПьезоэлектрикиП ь е з о э л е к т р и к и - диэлектрики с сильно выраженным пьезоэлектрическимэффектом. Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризациидиэлектрика под действием механических напряжений.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
