Сегнетоэлектрики

Достижения последних лет области исследований физики твердого тела сделали возможным широкое использование в современной радиотехнике различных диэлектриков и, в частности, сегнетоэлектриков. Долговечность, высокая механическая и электрическая прочность, экономичность и надежность в эксплуатации являются наиболее ценными качествами многих сегнетоэлектрических элементов электронных устройств. В настоящее время они применяются в качестве основного материала при изготовлении высокодобротных малогабаритных керамических конденсаторов с большой удельной емкостью, пьезорезонаторов в фильтрах сосредоточенной селекции, параметрических усилителей и умножителей, излучателей и приемников звуковых, ультразвуковых и гиперзвуковых колебаний, модуляторов и детекторов оптического излучения и так далее.

Одним из наиболее распространенных материалов, используемых в перечисленных устройствах, является титанат бария (ВаТЮз), сегнетоэлектрические свойстве которого были открыты в нашей стране в 1945 году. Однако впервые особые качества сегнетоэлектриков были обнаружены у сегнетовой соли в 1919 году, откуда и произошло название всей группы этих материалов.

Сегнетоэлектрики представляют собой кристаллические вещества с особыми диэлектрическими и полупроводниковыми свойствами. Как известно, кристаллы характеризуются правильным расположением атомов. Минимальный объем правильной формы (куб, параллелепипед и так далее, размерами 3—10А°), включающий все типы атомов и элементы симметрии кристалла, называют элементарной ячейкой. Из них, как из кирпичиков, «сложен» весь кристалл. Физические свойства сегнетоэлектрических кристаллов определяются характером взаимодействия атомов, принадлежащих разным элементарным ячейкам.

В результате электростатического взаимодействия атомов у некоторых диэлектриков, в том числе и у сегнетоэлектриков, дипольный момент групп элементарных ячеек ориентируется в одном направлении и приводит к образованию в кристалле при некоторой температуре однородно поляризованных областей, называемых доменами. О таких кристаллах говорят, что они обладают спонтанной (самопроизвольной) поляризацией. Это и есть одно из основных свойств сегнетоэлектриков.

Величина спонтанной поляризации у них такова, что если ее создать в обычном диэлектрике, например в кристалле поваренной соли, пришлось бы приложить внешнее поле, в 1000 раз превышающее электрическую прочность кристаллов. Это означает, что внутри сегнетоэлектрика на некоторые атомы действует внутреннее электрическое поле напряженностью до ста миллионов вольт на сантиметр. Причем оно не только поляризует кристалл, но и деформирует его. Этот эффект называют спонтанной электрострикцией, а кристаллы, которым он свойственен, пьезоэлектриками. Пьезоэлектрики, как известно, способны преобразовывать электрические колебания в механические и обратно. Таким образом, сегнетоэлектрики обладают еще и пьезоэлектрическими свойствами.

Чем же отличаются сегнетоэлектрики от обычных диэлектриков, таких как кварц, турмалин и других, обладающих спонтанной поляризацией! При воздействии внешнего переменного электрического поля амплитудой -—1000 В/см направление спонтанного электрического момента в кристалле кварца не изменяется (то есть кварц не переполяризуется), а индуцируемая в нем поляризация (Ринд) оказывается примерно в 1000 раз меньше спонтанной (Р8). При тех же условиях кристаллы титаната бария переполяризуются, изменяя направление спонтанной поляризации на противоположное после каждого полупериода внешнего переменного поля. Это одна из характерных особенностей сегнетоэлектриков.

Велико также различие диэлектрических проницаемостей (е) сравниваемых кристаллов. У кварца она мала . (~ 10) и практически не зависит от температуры и величины электрического поля. У сегнетоэлектриков, в частности, у титаната бария, наоборот, она достигает нескольких десятков. Таким образом, сегнетоэлектриками являются только те диэлектрики (в нашем примере это ВаТЮз), которые имеют обратимую спонтанную поляризацию, большую диэлектрическую проницаемость, нелинейно зависящую от величины электрического поля и от температуры.

Говоря о свойствах сегнетоэлектриков, необходимо всегда оговариваться при какой температуре они рассматриваются, так как выше определенной температуры (для BaTiOg это 120° С, они не имеют обратимого спонтанного дипольного момента и, как правило, не обладают пьезоэффектом. В этом состоянии они аналогичны обычным диэлектрикам, например, перовскиту СаТЮз, из которого изготавливают известные радиолюбителям тикондовые керамические конденсаторы.

Кристаллическая структура, химическая формула, концентрация атомов и другие статические параметры кристаллов BaTiOs и СаТЮз примерно одинаковы. Однако, как видно на рис. 1, динамические параметры сегнетоэлектриков и здесь аномальны: величина в у BaTi63 в 10—100 раз больше, чем у СаТЮз и нелинейно зависит от температуры и амплитуды электрического поля (Е0).

Объяснение аномальных свойств сегнетоэлектриков следует искать в особенностях тепловых колебаний атомов их кристаллической решетки. Атомы сегнетоэлектрических кристаллов, помимо участия в общих для всех кристаллических веществ видах теплового движения (независимо от первых и одновременно с ними), испытывают еще и коллективные синхронные колебания, носящие характер флуктуации, продолжительность жизни которых не менее Ю-11 с. Дополнительные дипольные моменты отдельных элементарных ячеек при этом оказываются мгновенно ориентированными вдоль одной из кристаллографических осей кристалла в соответствии с распределением, показанным на рис. 2. Под действием внешнего поля амплитуда флуктуации атомов, дипольные моменты которых поляризованы в направлении поля, растет за счет противоположно поляризованных атомов до значения ДР, соизмеримого с Ps. Вследствие этого дополнительная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков в направлении полярных осей флуктуации оказывается очень большой и сильно зависящей от величины Ed по сравнению с обычными диэлектриками. На всех дополнительная диэлектрическая проницаемость заштрихована.

Сравним как влияет температура на величину диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков и обычных диэлектриков. Из кривых, что е кварца и СаТ10з постоянна и не зависит от величины Его в интервале температур от 1000 до 120° С в ВаТЮз также одинакова во всех трех кристаллографических направлениях, но аномально растет от 100 до 1000 — 15 000 и сильно зависит от величины Ео.

Ниже температуры Тс = 120° С в BaTiOj вдоль одной из осей, например Z, возникает спонтанная поляризация. Величина е в этом направлении, и ее независимость от температуры у ВаТ10з, оказываются такими же, как у обычных диэлектрикова. Вдоль двух других осей X и Y ниже 120° С диэлектрические свойства ВаТЮз остаются аномальными Это объясняется тем, что при высоких температурах ~1000°С флуктуации у сегнетоэлектриков малы и дополнительная величина Де от них незначительна. По мере понижения температуры флуктуации растут, соответственно увеличивается и декристалла. При некоторой температуре Тс. когда флуктуации перестают быть устойчивыми и разрастаются в пары антипараллельных доменов одна из полярных осей флуктуации, например, ось Z становится постоянным направлением спонтанной поляризации, а остальные продолжают оставаться мгновенными осями флуктуации в других разрешенных кристаллографических направлениях. Вдоль оси Z флуктуации отсутствуют, и, поэтому, диэлектрическая проницаемость при температуре ниже Тс в этом направлении мала; в остальных направлениях X и Y флуктуации происходят, обеспечивая аномально большую величину диэлектрической проницаемости.

В настоящее время сегнетоэлектрики широко применяются в различных устройствах. Благодаря высокому коэффициенту преобразования электрической энергии в механическую и обратно, сегнетоэлектрические пьезорезонаторы хорошо себя зарекомендовали в полосовых фильтрах сосредоточенной селекции, так как они обеспечивают широкую полосу пропускания, высокую избирательность и большой коэффициент передачи полезного сигнала (до 0,9). Кроме того, такие фильтры допускают управление коэффициентом передачи. Весьма эффективны сегнетоэлектрические излучатели и приемники ультразвуковых колебаний, применяемые в аккустолокации. В диапазоне гиперзвуковых колебаний (0,1—10 ГГц) они практически незаменимы.

Не менее широко используется в радиотехнике и электрооптике присущая сегнетоэлектрикам нелинейность. Нелинейные сегнетоэлектрические конденсаторы принято называть варикондами. Такие вариконды весьма эффективны как конденсаторы с электрической перестройкой емкости, в генераторах качающей частоты, в преселекторах приемников -и ПТК телевизоров с электронной перестройкой, в перестраиваемых каскадах передатчиков и так далее. Вариконды отличаются высокой электрической прочностью (образец высотой 1 мм легко выдерживает сигнал ВЧ с амплитудой 1000 В), высокой эффективной добротностью в режиме больших колебаний, и кроме того, высокой радиационной стойкостью.

Однако параметры варикондов сильно зависят от температуры. Наилучшим сочетанием свойств сегнетоэлектрики обладают лишь в сравнительно небольшом интервале температур выше Тс шириной в 15—20° .

В настоящее время известно несколько технологических способов синтеза сегнетоэлектриков .с любой температурой Тс. Отечественной промышленностью освоено, в частности, производство материала ВК-7 с температурой Тс — —7° С, обладающего высокой нелинейностью при малых потерях в интервале комнатных температур.

В последнее время интенсивно исследуется динамическая нелинейность сегнетоэлектриков и разрабатываются параметрические усилители СВЧ, смесители, умножители частоты и другие устройства.

Многие области применения сегнетоэлектриков начали развиваться лишь сравнительно недавно, но уже сейчас могут рассматриваться как перспективные. В частности, это относится к использованию сегнетоэлектриков в системах памяти ЭВМ, так как они, как и ферриты, могут быть изготовлены с прямоугольной петлей гистерезиса. Ожидается, что в технологическом отношении изготовление сегнетоэлектрических матриц памяти будет весьма простым, однако ряд вопросов остается еще нерешенным.

При переполяризации сегнетоэлектриков обнаружен еще один эффект — излучение видимого света переполяризуемым участком кристалла. В связи с этим не лишена оснований идея создания в будущем плоского телевизионного экрана из сегнетоэлектрического материала.

Сенгнетоэлектрики относятся к совсем новым, но очень перспективным материалам. Их внедрение в радиоэлектронику даст ей новый качественный скачок.