Активные диэлектрики (150046)

Посмотреть архив целиком















AКТИВНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ


1 Общие сведения об активных диэлектриках


Активными называются диэлектрики, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий и использовать для создания функциональных элементов электроники. Активные диэлектрики позволяют осуществить генерацию, усиление, фильтрацию, модуляцию электрических и оптических сигналов, запоминание и преобразование информации.

К числу активных диэлектриков относят сегнето-, пьезо- и пироэлектрики, электреты, материалы квантовой электроники, жидкие кристаллы, электро-, магнито- и акустооптические материалы, диэлектрические кристаллы с нелинейными оптическими свойствами и др.

Свойствами активных диэлектриков обладают твердые, жидкие газообразные вещества. По химическому составу это могут быть органические и неорганические материалы. По свойствам и строению их можно подразделить на полярные и неполярные, кристаллические и аморфные диэлектрики. Резкой границы между активными и пассивными диэлектриками не существует. Один и тот же материал в различных условиях эксплуатации может выполнять либо пассивные функции изолятора или конденсатора либо активные функции управляющего или преобразующего элемента.


2. Сегнетоэлектрики


Сегнетоэлектриками называют вещества, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля.

В отсутствии внешнего электрического поля сегнетоэлектрики, как правило, имеют доменную структуру. Домены - это макроскопические области, обладающие спонтанной поляризацией, которая возникает под влиянием внутренних процессов в диэлектрике. Линейные размеры доменов составляют 0.001 - 1 мм. Направление электрических моментов у разных доменов различно. В результате суммарная поляризованность образца в целом равна нулю.

Внешнее электрическое поле изменяет направление электрических моментов доменов, происходит процесс зарождения и роста новых доменов за счет смещения доменных границ. В итоге происходит переориентация вектора спонтанной поляризации в направлении внешнего поля. Это создает эффект очень сильной поляризации и обусловливает сверхвысокие значения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков (до сотен тысяч). Зависимость поляризованности Р от напряженности поля Е нелинейна и при циклическом изменении Е имеет вид петли гистерезиса (рис. 34). Напряженность поля Ес, при которой происходит изменение направления поляризованности называют коэрцитивной силой. Диэлектрический гистерезис обусловлен необратимым смещением доменных границ под действием поля и свидетельствует о дополнительных затратах энергии, связанных с ориентацией доменов. Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, рассеиваемой в диэлектрике за один период. Поэтому сегнетоэлектрики характеризуются большим значением тангенса угла потерь (tg  = 0.1).

Рис. 34

Наличие петли гистерезиса является основным свойством сегнетоэлектриков, которое отличает их от других классов диэлектриков. Другим характерным параметром сегнетоэлектриков является сегнетоэлектрическая точка Кюри - температура при которой возникает (при охлаждении) или исчезает (при нагревании) спонтанная поляризация, а диэлектрическая поляризация достигает своего максимального значения (рис.35). После достижения точки Кюри доменная структура распадается и сегнетоэлектрик переходит в пароэлектрическое состояние. Это сопровождается резким уменьшением tg, поскольку исчезают потери на гистерезис. При температурах выше точки Кюри зависимость диэлектрической проницаемости от температуры подчиняется закону Кюри-Вейсса.



где C - константа Кюри;  - температура Кюри-Вейсса.

По типу химической связи и физическим свойствам сегнетоэлектрики подразделяют на ионные и дипольные кристаллы.

К ионным сегнетоэлектрикам относится титанат бария (BaTiO3), титанат свинца (PbTiO3), ниобат лития (LiNbO3), танталат лития (LiTaO3) и др. Эти соединения не растворимы в воде, обладают значительной механической прочностью, легко получаются в виде поликристаллов по керамической технологии, имеют более высокую температуру Кюри и большее значение спонтанной пояризованности, чем дипольные сегнетоэлектрики.

К дипольным сегнетоэлектрикам относятся сегнетова соль, дигидросульфат калия (KH2PO4), нитрит натрия (NaNО2) и др. Дипольные сегнетоэлектрики очень хорошо растворяются в воде и обладают малой механической прочностью, точка Кюри у многих из них намного ниже комнатной температуры.

Сегнетоэлектрики применяются для изготовления малогабаритных низкочастотных конденсаторов, термоэлектрических и пироэлектрических преобразователей, диэлектрических усилителей и модуляторов, ячеек памяти и преобразователей лазерного излучения.

Конденсаторная сегнетокерамика должна иметь наибольшую величину диэлектрической проницаемости с малой зависимостью ее от температуры, небольшие потери, наименьшую зависимость Е и tg от напряженности электрического поля (малую нелинейность), высокие значения удельного объемного и поверхностного сопротивления и электрической прочности. Оптимизация электрических характеристик достигается подбором концентрации компонентов сегнетоэлектрика.

В промышленности используют несколько сегнетоэлектрических материалов, каждый из которых применяют для определенных типов конденсаторов.

Сегнетоэлектрики, обладающие резко выраженными нелинейными свойствами, применяются для нелинейных конденсаторов - варикондов. Одна из основных характеристик вариконда - это коэффициент нелинейности K = Cmax/Cнач., величина которого может принять от 4 до 50. Нелинейные диэлектрические элементы, обычно в тонкопленочном исполнении, являются основой различных радиотехнических устройств - параметрических усилителей, низкочастотных усилителей мощности, фазовращателей, умножителей частоты, модуляторов, стабилизаторов напряжения и др.


3 Пьезоэлектрики


К пьезоэлектрикам относятся диэлектрики, которые обладают сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом.

Прямым пьезоэффектом называют явление поляризации диэлектрика под действием механического напряжения. Электрический заряд Q, возникающий на поверхности, изменяется по линейному закону в зависимости от механических усилий  (рис. 36,а).


Q = dF; Q/S = qs =  = d,


где d - пьезомодуль; S - площадь; qs - заряд на единицу площади, Р - поляризованость,  - механическое напряжение в сечении диэлектрика.

Пьезомодуль d численно равен заряду, на единице площади поверхности при приложении к нему единицы давления. Величина пьезомодуля составляет около 10-10 Кл/Н.

При обратном пьезоэффекте происходит изменение размеров диэлектрика l/l пропорционально напряженности электрического поля Е.


 l/l =  = dE,


где  - относительная деформация.

Пьезомодули d прямого и обратного пьезоэффекта для одного и того же материала равны между собой.

Пьезоэффект наблюдается лишь в ионных и сильнополярных диэлектриках, в структуре которых отсутствует центр симметрии и которые обладают высоким удельным сопротивлением.

Для характеристики конкретных пьезоэлектриков используют также величину называемую коэффициентом электромеханической связи k. Это связано с тем, что реальная работа внешней силы затрачивается не только на деформацию, но и на поляризацию.


k2 = Wэ /W,


где Wэ - электрическая энергия, генерируемая пьезоэлектриком; W - вся энергия затрачиваемая на деформацию.

При обратном пьезоэффекте энергия внешнего источника затрачивается не только на зарядку емкости пьезоэлектрика, но и на его деформацию.


k2 = Wм /W,


где Wм - плотность энергии механической деформации, Wм = CX2/2, здесь С - модуль упругости; Х - смещение.

Численное значения k для прямого и обратного пьезоэффектов совпадают.

В качестве пьезоматериалов широко применяют сегнетоэлектрики. Обычная сегнетокерамика как изотропная среда не обладает пьезоэффектом. Для придания пьезоэлектрических свойств ее подвергают поляризации: выдерживают в сильном электрическом поле при температуре 100-150С в течение длительного времени. Поляризованность доменов получает преимущественную ориентацию в направлении поля. После снятия внешнего поля в керамике сохраняется устойчивая остаточная поляризация; из изотропного тела керамика превращается в анизатропное - текстуру. По своим свойствам поляризованный сегнетокерамический образец близок к однодоменному кристаллу. Поляризованную сегнетокерамику, предназначенную для использования ее пьезоэффекта, называют пьезокерамикой. Из пьезокерамики можно изготовить активный элемент практически любого размера и любой формы. Пьезокерамика используется для создания ультразвуковых излучателей, элементов преобразования электрических сигналов в звуковые и обратно, датчиков давления, деформаций, ускорений и вибраций, пьезорезонансных фильтров электрических сигналов, линий задержки, пьезотрансформаторов и пьезодвигателей. Основным материалом для изготовления пьезокерамических элементов являются твердые растворы PbZrO3 - PbTiО3 (цирконат - титанат свинца или сокращенно ЦТС).

Ввиду высоких значений  tg и механических потерь пьезокерамику трудно использовать на частотах свыше 20Мгц. На более высоких частотах применяются монокристаллические пьезоэлектрики.






Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.