Сегнетоелектрики сукупність електричних властивостей, характерних для групи діелектриків, називаються сегнетоелектриками.
Діелектрик (ізолятор) - речовина, погано проводить або зовсім не проводить електричний струм. Щільність вільних носіїв заряду в діелектрику не перевищує 10 8 см - 3. Основна властивість діелектрика полягає в здатності поляризуватися в зовнішньому електричному полі
До сегнетоелектриків відносяться кристалічні діелектрики з наступними властивостями:
У сегнетоелектричних кристалах існує спонтанна поляризація в відсутності зовнішнього поля. Такий стан кристалів називається полярним (або сегнетоелектричних) станом. Величина спонтанної поляризації для різних сегнетоелектриків лежить в інтервалі 10 -7 -10 -5 Кл / см 2. У звичайних лужно галоїдних кристалах настільки великі значення індукованої поляризації можуть бути досягнуті в полях 10 7 -10 8 В / м.
При нагріванні кристала вище точки Кюрі (якесь значення температури) кристал з полярного стану переходить в неполярних стан, тобто таке. коли спонтанна поляризація дорівнює нулю. Деякі кристали знаходяться в полярному стані в певній галузі температур, тому вони характеризуються також нижньою точкою Кюрі. Кристал в неполярному стані є звичайним діелектриком.
В області фазового переходу відбувається різка зміна величини спонтанної поляризації і діелектричної проникності (Діелектрична проникність - величина, що характеризує діелектричні властивості середовища - її реакцію на електричне поле. У співвідношенні D = e Е. Де Е - напруженість електричного поля, D - електрична індукція в середовищі, діелектрична проникність - коефіцієнт пропорційності e. У більшості діелектриків при не дуже сильних полях діелектрична проникність не залежить від поля Е. Сегентоелектрікі харак теризують високим значенням діелектричної проникності, сильно залежить від температури).
У полярному стані кристал сегнетоелектріка має доменну структуру. Домени є мікроскопічні області, що володіють спонтанною (мимовільної) поляризацією, яка виникає під впливом внутрішніх процесів в діелектрику. Напрямок електричних моментів у різних доменів різному. Наслідком доменної структури є гистерезисная залежність (про яку докладніше розповідається далі) між електричної індукцією і полем і між поляризацією кристала і полем.
Повний дипольний момент кристала визначається сумою моментів доменів. Тому у відсутності зовнішнього поля поляризація доменів скомпенсирована і в цілому дорівнює нулю. При включенні поля, досить слабкого, щоб переорієнтувати диполі, спрямовані проти поля, кристал поводиться як лінійний діелектрик (рисунок 1, ділянка ОА). При подальшому збільшенні напруженості, повний момент зразка змінюється за рахунок зміщення доменних кордонів, а також зародження і зростання нових доменів. В результаті дії цих механізмів, швидкість росту Р (Е) збільшується (рисунок 1, ділянка аb) і, нарешті, коли весь кристал перейде в стан з напрямком поляризації вздовж Е. настає ділянку насичення (рисунок 1, ділянка bc), на якому ростри (Е) відбувається за рахунок індукованої поляризації. Рs - величина спонтанної поляризації зразка. При зменшенні поля і подальшому збільшенні зворотного поля зміна Р (Е) йде по кривій bdfg. лежить вище початкової ділянки кривої, так як зсув доменних меж і зростання нових доменів задержівается.Прі повному циклі зміни поля в прямому і зворотному напрямку, крива описує замкнену петлю гестерезіса. Поле Ес. яке треба докласти, щоб зменшити Р до нуля, називається коерцитивності полем. Величина його залежить від температури, частоти поля, товщини і якості кристала. Рr - залишкова поляризація.
Гістерезисна завісімомсть P (Е)
Виникнення спонтанної поляризації в сегнетоелектриках пов'язано зі структурними змінами при переході через точку Кюрі. За типом фазового переходу сегнетоелектрічеськие кристали можна поділити на 2 групи:
До першої групи належать ті, які зазнають перехід типу «зміщення». При такому переході спонтанна поляризація виникає за рахунок зміщення іонів однієї підґратки щодо іншої (титанат барію рис. 2)
Структура титаната барію.
Рис.2. а - кубічна осередок неполярной фази; б - перебудова структури титаната барію при фазовому переході з неполярной в полярну фазу при Тс = 393К. зміщення атомів d1 = -0,09 * 10 -8 см, d2 = + 0,05 * 10 -8 см. d3 = -0,05 * 10 -8 см; в - кубічна елементарна осередок, стабільна при Т> Тс (температура Кюрі); г - деформація кубічної комірки при переході в іншу фазу при Т<393К.
При зміщенні виникає електричний диполь і, отже, спонтанна поляризація.
До другої групи належать сегнетоелектрики з фазовим переходом типу «порядок -беспорядок». В цьому випадку спонтанна поляризація виникає в результаті упорядкування водневих зв'язків (воднева зв'язок - це слабкий зв'язок, що виникає між електронегативними атомами молекули і електропозитивні ядром водню Н, який пов'язаний ковалентно з іншим електронегативний атомом тієї ж сусідньої молекули) в групах іонів або самих іонних груп в елементарній комірці кристала. (Дигідрофосфат калію, сегнетова сіль)
В даний час відомо більше ста речовин, що володіють сегнетоелектричними властивостями. Найбільш добре відомі кристали сегнетової солі, дигидрофосфата калію і титанату барію. Характеристичні параметри яких наведені в табл.1:
Характеристичні параметри деяких сегнетоелектриків
Температура Кюрі, Тс. До
Сегнетоелектричних матеріали широко вивчалися в перспективі різноманітних застосувань. Досить навести лише кілька прикладів. Велика діелектрична проникність поблизу температури Кюрі (наприклад, в BaTiO3) представляє інтерес з точки зору застосування в багатошарових конденсаторах. Ніобат літію (LiNbO3), що володіє великими електрооптичними коефіцієнтами - найкращий матеріал для інтегральних оптичних модуляторів і дефлекторів. Тонкі плівки з цирконата-титанату свинцю і лантану (PLZT) активно вивчаються з метою створення енергозалежних мікроелектронних ЗУ із застосуванням кремнієвої технології. (Бістабільності поляризація - ідеальна основа для довічних осередків пам'яті.) Кристал КН2 РО4 широко застосовується для подвоєння оптичної частоти лазера. З триглицинсульфата (TGS) виготовляються фотоприемники для інфрачервоної області спектра.
Сегнетоелектричних оперативний пристрій (Малюнок 1).
Мікросхеми сегнетоелектричного ОЗУ поєднують в собі властивості статичного ОЗУ і енергонезалежного зберігання даних. Однак технології виробництва цих двох типів запам'ятовуючих пристроїв кардинально відрізняються, що і визначає різні особливості роботи і мають різні сфери застосування.
Сегнетоелектричної ефект полягає в здатності окремих матеріалів зберігати стан електричної поляризації при відсутності зовнішнього електричного поля. Стійка поляризація виникає в результаті орієнтації внутрішніх електричних диполів в сегнетоелектричних матеріалі під дією зовнішнього електричного поля. Додаток зовнішнього електричного поля з напруженістю, що перевищує певний порогове значення, призводить до орієнтації внутрішніх електричних диполів. Зміна напрямку зовнішнього поля на зворотне призводить до відповідної переорієнтації внутрішніх диполів. Оскільки для підтримки поляризованого стану матеріалу не потрібно наявності зовнішнього електричного поля, сегнетоелектрична осередок може використовуватися для зберігання двійкових даних навіть при відсутності електроживлення.
Оскільки читання даних пов'язано з примусовою установкою певного стану поляризації, то цикл читання руйнує інформацію, збережену в комірці пам'яті. Тому після читання необхідно відновити вихідні дані. Це здійснюється вбудованими ланцюгами регенерації. Цикл регенерації здійснюється апаратно після кожного читання і не вимагає ніякого додаткового управління.
1. Киренский Л. В. Магнетизм, 2 видавництва. M. 1967;
2.Вонсовскій С. В. Сучасне вчення про магнетизм, М.- Л. 1952;
Необхідна підтримка вбудованих фреймів.