pdf / 3э.1 Изучение диэлектрического гистерезиса сегнетоэлектриков (1)

МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАБОТЫ

Диэлектрики – вещества, которые практически не проводят электрический ток. В диэлектриках отсутствуют носители тока, т. е. заряды, способные перемещаться на значительные расстояния по сравнению с межмолекулярными. Поэтому диэлектрики обладают большим удельным сопротивлением (более

108 Ом·м), в то время как в металлах оно составляет 10–8–10–6 Ом·м.

В твердом состоянии диэлектрики могут обладать как аморфной структурой, так и кристаллической. Поскольку у аморфных веществ отсутствует строгий порядок в расположении атомов и молекул, то они изотропны – их физические свойства одинаковы по всем направлениям в пространстве. К аморфным диэлектрикам относятся многие пластмассы, стекло, воск и др. В кристаллах атомы и молекулы занимают определенные упорядоченные положения в пространстве, образуя кристаллическую решетку. В связи с этим кристаллы обладают анизотропией – их физические свойства зависят от направления внутри кристалла.

Диэлектрики применяют в приборостроении, электротехнике, радиотехнике, опто-, микроэлектронной и лазерной технике. В зависимости от назначения различают электроизоляционные (пассивные) и управляемые (активные) диэлектрики. В качестве электроизоляционных материалов используют природные диэлектрики (вакуумное пространство, воздух, нефтяные масла, лаки и т. д.), а также искусственные (полимеры, стекла, керамику и др.). Управляемыми диэлектриками являются сегнетоэлектрики (титанат бария, ниобат лития, сегнетокерамика). В микроэлектронных устройствах на полупроводниках, в частности больших и сверхбольших интегральных схемах на кремнии и арсениде галлия, используются тонкие (0,002–2,0 мкм) аморфные диэлектрические пленки SiO2, Si3N4, бор- и фосфорсиликатных стекол в качестве как пассивных, так и активных элементов. Перспективными являются диэлектрические пленки оксида алюминия, нитридов бора и галлия.

Диэлектрики состоят либо из нейтральных молекул (в состав которых входят электроны и протоны), либо из положительных и отрицательных ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки.

Связанными называются заряды, входящие в состав нейтральных молекул диэлектрика, а также заряды ионов в кристаллических диэлектриках с ионной решеткой. Связанные заряды могут смещаться только на малые расстояния в пределах электрически нейтральных молекул диэлектрика.

2

Сторонние заряды – это заряды, которые не входят в состав молекул диэлектрика. К ним относятся сообщенные телу избыточные заряды (например, в результате трения), носители тока в проводниках и полупроводниках, положительные ионы в металлах и др. Сторонние заряды могут находиться как внутри, так и вне диэлектрика.

Система из двух равных по модулю разноименных точечных зарядов (q+ и q–), находящихся на некотором расстоянии ℓ друг от друга, называется электрическим диполем. Основной характеристикой диполя является электрический

дипольный момент p – вектор, равный:

цательного заряда q– к положительному q+ (рис. 1). В СИ [p] = Кл·м.

Под действием внешнего электрического поля, создаваемого сторонними зарядами, возникает поляризация диэлектрика – процесс смещения связанных зарядов, в результате которого любой физически малый объем диэлектрика приобретает отличный от нуля дипольный момент. Поляризация диэлектрика может появляться и при упругой деформации (пьезоэлектрический эффект), при изменении температуры (пироэлектрический эффект), а также спонтанно (в сегнетоэлектриках). Механизм и вид поляризации диэлектрика во внешнем электрическом поле зависит от строения (типа) диэлектрика.

Диэлектрики делятся на 3 типа: неполярные, полярные и ионные.

Если в отсутствие внешнего электрического поля центры масс положительных и отрицательных зарядов в пределах одной молекулы совпадают, то такие молекулы называются неполярными, а состоящие из них диэлектрики – неполяр-

ными диэлектриками (He, O2, N2, H2 и др.).

Если в отсутствие внешнего электрического поля центры масс положительных и отрицательных зарядов в пределах одной молекулы не совпадают, то такие молекулы называются полярными. Полярные молекулы обладают собственным дипольным моментом p , а состоящие из них диэлектрики называются полярными

диэлектриками (H2O, CO2, SiO2 и др.). В изотропных полярных диэлектриках в отсутствие внешнего электрического поля дипольные моменты отдельных моле-

кул ориентированы хаотично, поэтому в любом физически малом объеме pi 0

.

Ионные диэлектрики – твердые диэлектрики, имеющие ионную кристаллическую решетку, в узлах которой расположены чередую-

щиеся положительные и отрицательные ионы (NaCl, KCl и др.). Кристаллическую решетку ионных диэлектриков можно рассматривать как систему 2-х вставленных друг в

друга ионных подрешеток – с положительными и отрицаРис. 2 тельными ионами (рис. 2).

Различают 3 вида и механизма поляризации.

3

1. Деформационная (электронная) поляризация наблюдается в неполяр-

ных диэлектриках. Под действием внешнего электрического поля в пределах каждой неполярной молекулы происходит смещение зарядов: положительных по направлению напряженности E0 внешнего поля, отрицательных – против. При

этом смещение атомных ядер ввиду их большой массы незначительно по сравнению со смещением электронов. Поэтому чаще всего говорят о смещении электронов относительно центра масс ядер, приводящем к деформации электронного облака – его вытягиванию вдоль E0 . В результате молекула приобретает индуциро-

ванный дипольный момент, направленный вдоль E0 (рис. 3, а).

2. Ориентационная (дипольная) поляризация происходит в полярных диэлектриках. Внешнее электрическое поле стремится ориентировать дипольные моменты полярных молекул по направлению напряженности E0 внешнего поля, но этому препятствует тепловое хаотическое движение молекул. В результате дипольные моменты молекул приобретают преимущественную ориентацию по E0

(см. рис. 3, б).

3. Ионная поляризация осуществляется в ионных диэлектриках. При наложении внешнего электрического поля положительная подрешетка смещается по направлению напряженности E0 внешнего поля, а отрицательная – в противоположную сторону (см. рис. 3, в).

4

При всех видах поляризации диэлектрика в нем возникают области, содер-

жащие нескомпенсированные (избыточные) связанные заряды, которые называ-

ются поляризационными. В однородном изотропном диэлектрике, в котором нет сторонних зарядов, поляризационные заряды распределяются только по поверхности этого диэлектрика.

Внутри диэлектрика электрическое поле образуется как сторонними, так и

поляризационными зарядами. По принципу суперпозиции напряженность E электрического поля в диэлектрике равна:

E E0 E ,

где E0 – напряженность внешнего электрического поля (поля сторонних зарядов);

E – напряженность поля поляризационных зарядов (нескомпенсированных связанных), причем всегда E E0 .

Поляризация диэлектрика приводит к тому, что напряженность поля в нем

Вектор поляризации P (поляризованность) – количественная мера поля-

ризации диэлектрика, равная отношению суммы дипольных моментов всех моле-

где pi – дипольный момент i-й молекулы, одной из N молекул, содержащихся в объеме V диэлектрика. В СИ [P] = Кл/м2.

Из опыта известно, что при небольших величинах напряженности внешнего

электрического поля вектор поляризации P в любой точке изотропного диэлектрика удовлетворяет следующему соотношению:

E – напряженность электрического поля в той же точке диэлектрика.

Для описания электрического поля в диэлектриках, наряду с вектором поляризации P и напряженностью E , вводится в рассмотрение вектор электриче-

ского смещения D (вектор индукции электрического поля), определяемый как:

5

Подставляя выражение (2) в определение (3), получим соотношение вектора

Диэлектрическая восприимчивость χ и диэлектрическая проницаемость ε в

изотропных диэлектриках не зависят от E , чего не наблюдается в случае анизотропных диэлектриков, например сегнетоэлектриков.

Сегнетоэлектрики (или ферроэлектрики – ferroelectrics, по аналогии с ферромагнетиками) – кристаллические диэлектрики, обладающие в определенном температурном интервале спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, которая существенно изменяется под влиянием внешних условий.

По сравнению с изотропными диэлектриками, сегнетоэлектрики обладают рядом отличительных свойств, а именно:

наличие в определенном интервале температур спонтанной поляризации при отсутствии внешнего электрического поля;

резкая анизотропия свойств (зависимость диэлектрической проницаемости ε от направления; особые свойства проявляются вдоль определенной кристаллографической оси – полярного направления);

сверхвысокие значения диэлектрической проницаемости ε до ~104;

нелинейная зависимость диэлектрической проницаемости ε от темпера-

туры Т и напряженности E электрического поля;

нелинейная зависимость вектора поляризации P от напряженности E электрического поля;

наличие диэлектрического гистерезиса и др.

Такие свойства сегнетоэлектриков наблюдаются лишь в определенном интервале температур: для большинства из них – при температурах Т < ТК, где ТК – температура (точка) Кюри. Для каждого сегнетоэлектрика существует свое значение температуры Кюри ТК.

Отличительные свойства сегнетоэлектриков обусловлены их особой кристаллической структурой – доменной. При температурах Т < ТК весь объем сегнетоэлектрика самопроизвольно разбивается на домены – микроскопические области, в пределах каждой из которых дипольные моменты всех молекул сонаправлены (рис. 5). Таким образом, каждый домен максимально поляризован и обладает собствен-

6

При некотором значении напряженности Енас векторы Pнас всех доменов об-

разца оказываются сонаправленными с E (точка В). Такое явление называется

насыщением спонтанной поляризации, а величина Енас – напряженностью насы-

7

только за счет индуцированной поляризации (отрезок СВ). С последующим убыванием Еx (от Енас до 0) уменьшение поляризованности происходит с «запаздыванием» по сравнению с основной кривой поляризации, поскольку наряду с индуцированной появляется спонтанная поляризация (участок ВК). При отключении внешнего электрического поля (Еx = 0) образец остается макроскопически поляри-

ность. Для полной деполяризации образца внешнее электрическое поле нужно приложить в противоположном направлении. С увеличением модуля напряженности этого поля поляризованность образца уменьшается и при Еx = –Ек она обращается в нуль (Р = 0). Величина Ек называется коэрцитивная сила или напряженность коэрцитивного поля. Дальнейший рост величины напряженности приводит образец сегнетоэлектрика в состояние насыщения спонтанной поляризации (точка L), только направление векторов Pнас всех доменов противоположно по

сравнению с состоянием в точке С. Последующие изменения внешнего электрического поля сопровождаются процессами, аналогичными описанным выше.

Ввиду наличия процессов спонтанной поляризации, соотношение вектора электрического смещения D и напряженности E электрического поля в сегнетоэлектриках не выражается прямой пропорциональностью (4), а имеет достаточно сложный вид, содержащий тензор диэлектрической проницаемости – симметричный тензор второго ранга. Поэтому однозначно определить диэлектрическую проницаемость сегнетоэлектрика не представляется возможным. Однако для характеристики свойств сегнетоэлектрического образца в зависимости от различных условий работы выбирается статическая, дифференциальная, реверсивная, эффективная и др. диэлектрическая проницаемость.

В настоящей лабораторной работе представляется целесообразным обра-

где D и Е – координаты точек основной кривой поляризации D(Е) величины электрического смещения от модуля напряженности электрического поля.

Для большинства сегнетоэлектриков 0E P , тогда из определения (3) следует, что D P . Тогда статическая диэлектрическая проницаемость равна:

9

В данной лабораторной работе используются образцы кристалла триглицинсульфата.

Триглицинсульфат (ТГС) – хорошо изученный представитель семьи сегнетоэлектрических кристаллов. Он широко применяется в электронике и технике, так как его температура Кюри tК = 49 °С и сегнетоэлектрические свойства проявляются при комнатной температуре. Кроме того, кристаллы триглицинсульфата больших размеров достаточно легко вырастить из водных растворов.

Основные области применения сегнетоэлектриков:

в конденсаторах, в том числе и в варикондах (конденсаторах с нелинейно изменяющейся емкостью);

в пьезоэлектрических устройствах, преобразующих механические сигналы в электрические и обратно;

в температурных датчиках;

в пироэлектрических приемниках ИК-излучения;

в качестве битовых ячеек памяти в системах электрической записи и хранения информации и др.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Образец для исследований представляет собой плоскопараллельную пластинку кристалла ТГС, вырезанную перпендикулярно полярной оси. Плоские поверхности пластинки металлизируются, и такое устройство называется сегнетоконденсатором. Поскольку внешнее электрическое поле, прикладываемое к такому конденсатору, направлено вдоль полярной оси кристалла и толщина d сегнетоконденсатора мала по сравнению с его линейными размерами, поэтому поле напряженности E и поляризованности P в нем можно считать однородным.

Электрическая схема лабораторной установки приведена на рис. 9.

Рис. 9

На последовательно соединенные между собой сегнетоконденсатор электроемкостью С и эталонный конденсатор емкостью Сэт подается входное напряжение U. В цепь параллельно конденсаторам включен делитель напряжения на резисторах сопротивлениями R1 и R2.

На вход «X» осциллографа ОС подается напряжение Ux с сопротивления R2,

где Uэт – напряжение на эталонном конденсаторе.

10