AКТІВНИЕ Діелектрики
1 Загальні відомості про активні діелектриках
Активними називаються діелектрики, властивостями яких можна керувати за допомогою зовнішніх енергетичних впливів і використовувати для створення функціональних елементів електроніки. Активні діелектрики дозволяють здійснити генерацію, посилення, фільтрацію, модуляцію електричних та оптичних сигналів, запам'ятовування і перетворення інформації.
До числа активних діелектриків відносять сегнето-, п'єзо-і піроелектрик, Електрети, матеріали квантової електроніки, рідкі кристали, електро-, магніто-і акустооптичні матеріали, діелектричні кристали з нелінійними оптичними властивостями та ін
Властивостями активних діелектриків мають тверді, рідкі газоподібні речовини. За хімічним складом це можуть бути органічні і неорганічні матеріали. За властивостями і будовою їх можна підрозділити на полярні й неполярні, кристалічні і аморфні діелектрики. Різкого розмежування між активними і пасивними діелектриками не існує. Один і той же матеріал в різних умовах експлуатації може виконувати або пасивні функції ізолятора або конденсатора які активні функції керуючого або перетворюючого елемента.
2. Сегнетоелектрики
Сегнетоелектриками називають речовини, що володіють спонтанною (мимовільної) поляризацією, напрямок якої може бути змінено за допомогою зовнішнього електричного поля.
У відсутності зовнішнього електричного поля сегнетоелектрики, як правило, мають доменну структуру. Домени - це макроскопічні області, що володіють спонтанною поляризацією, яка виникає під впливом внутрішніх процесів в діелектрику. Лінійні розміри доменів складають 0.001 - 1 мм. Напрямок електричних моментів у різних доменів різному. У результаті сумарна поляризованность зразка в цілому дорівнює нулю.
Зовнішнє електричне поле змінює напрям електричних моментів доменів, відбувається процес зародження й росту нових доменів за рахунок зміщення доменних меж. У результаті відбувається переорієнтація вектора спонтанної поляризації у напрямку зовнішнього поля. Це створює ефект дуже сильної поляризації і обумовлює надвисокі значення діелектричної проникності сегнетоелектриків (до сотень тисяч). Залежність поляризованности Р від напруженості поля Е нелінійна і при циклічному зміні Е має вид петлі гістерезису (рис. 34). Напруженість поля Ес, при якій відбувається зміна напрямку поляризованности називають коерцитивною силою. Діелектричний гістерезис зумовлений необоротним зміщенням доменних меж під дією поля і свідчить про додаткові витрати енергії, пов'язаних з орієнтацією доменів. Площа петлі гистерезиса пропорційна енергії, що розсіюється в діелектрику за один період. Тому сегнетоелектрики характеризуються великим значенням тангенса кута втрат (tg d = 0.1).
Наявність петлі гистерезиса є основною властивістю сегнетоелектриків, яка відрізняє їх від інших класів діелектриків. Іншим характерним параметром сегнетоелектриків є сегнетоелектричних точка Кюрі - температура при якій виникає (при охолодженні) або зникає (при нагріванні) спонтанна поляризація, а діелектрична поляризація досягає свого максимального значення (рис.35). Після досягнення точки Кюрі доменна структура розпадається і сегнетоелектрик переходить в пароелектричного стан. Це супроводжується різким зменшенням tg d, оскільки зникають втрати на гістерезис. При температурах вище точки Кюрі залежність діелектричної проникності від температури підкоряється закону Кюрі-Вейсса.
де C - константа Кюрі; q - температура Кюрі-Вейсса.
За типом хімічного зв'язку та фізичним властивостям сегнетоелектрики підрозділяють на іонні і дипольні кристали.
До іонним сегнетоелектриками відноситься титанат барію (BaTiO3), титанат свинцю (PbTiO3), ніобат літію (LiNbO3), танталат літію (LiTaO3) та ін Ці з'єднання не розчиняються у воді, мають значну механічну міцність, легко виходять у вигляді полікристалів за керамічною технологією , мають більш високу температуру Кюрі і більше значення спонтанної поярізованності, ніж дипольні сегнетоелектрики.
До дипольним сегнетоелектриками відносяться сегнетова сіль, дігідросульфат калію (KH2PO4), нітрит натрію (NaNО2) та ін Дипольні сегнетоелектрики дуже добре розчиняються у воді і мають малу механічну міцність, точка Кюрі у багатьох з них набагато нижче кімнатної температури.
Сегнетоелектрики застосовуються для виготовлення малогабаритних низькочастотних конденсаторів, термоелектричних і піроелектричних перетворювачів, діелектричних підсилювачів і модуляторів, елементів пам'яті і перетворювачів лазерного випромінювання.
Конденсаторна сегнетокераміки повинна мати найбільшу величину діелектричної проникності з малої залежністю її від температури, невеликі втрати, найменшу залежність Е і tg d від напруженості електричного поля (малу нелінійність), високі значення питомої об'ємного і поверхневого опору та електричної міцності. Оптимізація електричних характеристик досягається підбором концентрації компонентів сегнетоелектриків.
У промисловості використовують кілька сегнетоелектричних матеріалів, кожен з яких застосовують для певних типів конденсаторів.
Сегнетоелектрики, що володіють різко вираженими нелінійними властивостями, застосовуються для нелінійних конденсаторів - варікондов. Одна з основних характеристик варіконда - це коефіцієнт нелінійності K = Cmax / Cнач., Величина якого може прийняти від 4 до 50. Нелінійні діелектричні елементи, зазвичай в тонкоплівкових виконанні, є основою різних радіотехнічних пристроїв - параметричних підсилювачів, низькочастотних підсилювачів потужності, фазовращателей, умножителей частоти, модуляторів, стабілізаторів напруги та ін
3 П'єзоелектрики
До п'єзоелектрики відносяться діелектрики, які мають сильно вираженим п'єзоелектричним ефектом.
Прямим п'єзоефект називають явище поляризації діелектрика під дією механічної напруги. Електричний заряд Q, що виникає на поверхні, змінюється за лінійним законом у залежності від механічних зусиль F (рис. 36, а).
Q = dF; Q / S = qs = R = d d,
де d - пьезомодуль; S - площа; qs - заряд на одиницю площі, Р - поляризована, d - механічне напруження в перерізі діелектрика.
Пьезомодуль d чисельно дорівнює заряду, на одиниці площі поверхні при додатку до нього одиниці тиску. Величина пьезомодуля становить близько 10-10 Кл / Н.
При зворотному п'єзоефекті відбувається зміна розмірів діелектрика D l / l пропорційно напруженості електричного поля Е.
D l / l = d = dE,
де d - відносна деформація.
Пьезомодулі d прямого і зворотного п'єзоефекту для одного і того ж матеріалу рівні між собою.
П'єзоефект спостерігається лише в іонних і сільнополярних діелектриках, в структурі яких відсутня центр симетрії і які володіють високим питомим опором.
Для характеристики конкретних п'єзоелектриків використовують також величину звану коефіцієнтом електромеханічного зв'язку k. Це пов'язано з тим, що реальна робота зовнішньої сили затрачається не тільки на деформацію, але і на поляризацію.
k2 = Wе / W,
де Wе - електрична енергія, генерована п'єзоелектриків; W - вся енергія витрачається на деформацію.
При зворотному п'єзоефекті енергія зовнішнього джерела витрачається не тільки на зарядку ємності п'єзоелектрики, але і на його деформацію.
k2 = Wм / W,
де Wм - щільність енергії механічної деформації, Wм = CX2 / 2, тут С - модуль пружності; Х - зсув.
Чисельне значення k для прямого і зворотного п'єзоефект збігаються.
Як пьезоматеріалов широко застосовують сегнетоелектрики. Звичайна сегнетокераміки як ізотропна середовище не має п'єзоефект. Для додання п'єзоелектричних властивостей її піддають поляризації: витримують в сильному електричному полі при температурі 100-150 ° С протягом тривалого часу. Поляризованность доменів отримує переважну орієнтацію в напрямку поля. Після зняття зовнішнього поля в кераміці зберігається стійка залишкова поляризація; з ізотропного тіла кераміка перетворюється на анізатропное - текстуру. За своїми властивостями поляризований сегнетокераміческій зразок близький до однодоменних кристалу. Поляризовану сегнетокераміки, призначену для використання її п'єзоефекту, називають п'єзокерамікою. З п'єзокераміки можна виготовити активний елемент практично будь-якого розміру і будь-якої форми. Пьезокерамика використовується для створення ультразвукових випромінювачів, елементів перетворення електричних сигналів у звукові і назад, датчиків тиску, деформацій, прискорень і вібрацій, пьезорезонансних фільтрів електричних сигналів, ліній затримки, п'єзотрансформатора і пьезодвігателей. Основним матеріалом для виготовлення п'єзокерамічних елементів є тверді розчини PbZrO3 - PbTiО3 (цирконат - титанат свинцю або скорочено ЦТС).
Зважаючи на високі значень e, tg d і механічних втрат пьезокерамику важко використовувати на частотах понад 20МГц. На більш високих частотах застосовуються монокристалічні п'єзоелектрики.
З п'єзоелектричних кристалів найбільш часто застосовують кварц - двоокис кремнію SiО2. У кристалах кварцу розрізняють три головні осі, утворюють прямокутну систему координат (мал.37): X - електричну вісь, що проходить через вершини шестикутника поперечного перерізу (три осі); Y - механічну вісь, перпендикулярну сторонам шестикутника поперечного перерізу (три осі); Z - оптичну вісь, що переходила через вершини кристала. Платівки, вирізані перпендикулярно осі Z не володіють п'єзоефект.
Платівки Х-зрізу володіють максимальним коефіцієнтом електромеханічного зв'язку (близько 10%). Однак найбільше застосування знаходять пластини косих зрізів кристала, грані яких нахилені по відношенню до його осях.
Плоскопараллельная полірована кварцова пластинка з електродом і власником є п'єзоелектричний резонатор, тобто є коливальним контуром з певною частотою коливань. Частота визначається товщиною пластини і напрямом кристалографічного зрізу. Перевагою кварцових резонаторів є малий tg d, висока механічна добротність (Qм = 5 × 104 - 107) і температурна стабільність параметрів. Завдяки високій добротності кварцові резонатори використовуються в якості фільтрів з високою виборчою здатністю, а також для стабілізації та еталонірованія частоти генераторів. Одна з головних вимог до таких п'єзоелектрики є нульовий або мінімальний догляд частоти механічних коливань у можливо більш широкому інтервалі температур. Цій вимозі в значній мірі задовольняють АТ-і ВТ-зрізи в діапозоні частот 0.6 - 100 і 5 - 20МГц відповідно, а також СТ-, DT-і GT-зрізи - в діапозоні 100 - 550 кГц.
Ніобат і танталат літію, що володіють більш високими ніж кварц пьезомодулямі і коефіцієнтами електромеханічного зв'язку, у багатьох випадках витісняють кварц. Фільтри на їх основі мають більшу широкополосностью при менших габаритах, більш низьким опором у смузі прозорості, більшою ізоляцією від паразитних коливань. Механічна добротність ніобіту і танталату літію зберігає високе значення (105 - 106) до НВЧ-діапозона, тоді як у кварцу вона максимальна при частоті 1МГц, а вище 100МГц знижується до значень менших 105. Ці матеріали застосовують в лініях затримки і фільтрах як об'ємних, так і поверхневих хвиль та інших пристроях, що використовують поверхневі акустичні хвилі.
Пьезополупроводнікі СdS, ZnS, ZnO використовують в основному для плівкових перетворювачів електромагнітних коливань в акустичні на високих і надвисоких частотах (до 40Ггц), акустичних підсилювачах і інших пристроїв.
Піроелектрик
До піроелектриком відносять діелектрики, які мають сильно вираженим піроелектричним ефектом.
Піроелектричним ефектом називають зміну спонтанної поляризованности діелектрика при зміні його температури.
Рівняння піроелектричного ефекту має вигляд:
-DPсп = r × dT,
де РСП - спонтанна поляризованность діелектрика;
r - Піроелектричний коефіцієнт.
При незмінній температурі спонтанний електричний момент скомпенсований. Іемененіе спонтанної поляризованности супроводжується звільненням зарядів на поверхні діелектрика, завдяки чому в замкнутому ланцюзі виникає струм:
де S-площа поверхні діелектрика, dT / dt - швидкість зміни температури.
Піроелектричний коефіцієнт враховує порушення впорядкованості у розташуванні елементарних дипольних моментів (справжній піроеффект) і п'єзоелектричних поляризацію, обумовлену зміною лінійних розмірів (вторинний піроеффект) при зміні температури діелектрика.
Спонтанна поляризованность залежить від температури РСП = А (Тк-Т) 1 / 2, де А - деяка постійна для даного матеріалу.
Звідси випливає, в міру наближення до температури фазового переходу Тк Піроелектричний коефіцієнт зростає:
Піроелектричними властивостями володіють всі сегнетоелектрики в монодоменізірованном стані.
Найбільш стабільними піроелектричними властивостями володіють кристали ніобіту і танталату літію, які зважаючи на дуже малого tg d і високого питомого опору відрізняється малим рівнем шумів і тому має високу чутливість на високих частотах.
Піроелектричними властивостями володіють деякі лінійні діелектрики (турмалін) і полімери (полівінілденфторид, полівінілденхлорід). Чутливість плівкових полімерних діелектриків невисока, проте вони володіють простотою виготовлення, малої інерційністю і невисокою ціною.
Піроелектрик застосовуються для створення теплових датчиків і приймачів променистої енергії, призначених для реєстрації інфрачервоного і НВЧ-випромінювання. У них відсутня вибірковість по спектру випромінювання, мають високим швидкодією (до 10МГц), але мають меншу чутливість ніж напівпровідникові фотоприймачі.
5. Електрети
Електрети - це тверді діелектрики довгостроково зберігають поляризацію і створюють в навколишньому їхньому просторі електричне поле.
За способом формування зарядів Електрети підрозділяють на термоелекрети (отримують при впливі на нагрітий діелектрик електричного поля), фотоелекрети (виготовляються з матеріалів що володіють фотоелектропроводностью - сірки, сульфіду кадмію та ін - при одночасному впливі світла електричного поля), та інші.
Знак заряду Електрети може збігатися зі знаком формуючого напруги (гомозаряд) або не співпадати (гетерозаряд). Гомозаряд утворюється інжекцією заряджених частинок в діелектрик ззовні. Гетерозаряд формується за рахунок зміщення до протилежних сторонах власних зарядів діелектрика. Різниця гетеро-та гомозаряда визначає результуючий заряд поверхні Електрети. Гомозаряди зберігаються протягом більш тривалого часу в порівнянні з гетерозаряд.
У органічних полярних Електрети переважають гетерозаряд, у неорганічних (керамічних) матеріалів та органічних неполярних діелектриків - гомозаряди.
Час життя Електрети в нормальних умовах може досягати десятків років. Воно швидко зменшується з підвищенням температури і вологості навколишнього середовища життє.
В даний час найбільше практичне значення знаходять Електрети на основі полімерних плівок політетрафторетилену, поліетилентерефталату, полікарбонату і ін. В умовах підвищеної вологості найбільш стабільні Електрети з політетрафторетилену. Електрети використовуються для виготовлення телефонів, мікрофонів, дозиметрів радіації вимірників атмосферного тиску і вологості, електрометрій та ін
Література
Суриков В.С. - Основи електродинаміки - М. «Протон» - 2000 р.
Карк І.С. - Фізика елементарних частинок. - М. - 1999 р.
Сінджанов І.К. Електродинаміка - М. 1998
Електротехнічні матеріали. Довідник / В.Б. Березін, Н.С. Прохоров, А.М. Хайкін. - М.: Вища школа, 1993. - 504с.
Ричіна Т.А., Зеленський А.В. Пристрої функціональної електроніки та електрорадіоелементи. - М.: Радіо і зв'язок, 1999. - 352с.