П’єзоелектричні та сегнетеоелектричні матеріали

П’ЄЗОЕЛЕКТРИ́ЧНІ ТА СЕГНЕТОЕЛЕКТРИ́ЧНІ МАТЕРІА́ЛИ Необхідною умовою існування п’єзоефекту є відсутність центру інверсії серед елементів симетрії кристала. Отже, п’єзоелектрика можлива у речовинах, що належать до 20-ти (з 32-х) точкових груп симетрії (наприклад, кварц, хлорат і бромат натрію, сульфат нікелю), полярні п’єзоелектрики — піроелектрики, сегнетоелектрики в сегнетофазі (наприклад, титанат барію, титанат свинцю), сегнетоелектрики групи KDP у всьому температурному інтервалі, п’єзонапівпровідники (наприклад, сульфід кадмію, оксид цинку, сульфойодид сурми). Серед 20-ти нецентросиметричних груп найсильніший п’єзоефект мають сегнетоелектрики у вигляді монокристалів або поляризованої кераміки. Сегнетоелектричні матеріали мають аномально високі п’єзокоефіцієнти завдяки сегнетоелектричному фазовому переходу.

Більшість сегнетоелектриків є кисневмісними сполуками, що кристалізуються в структурних типах перовськіту, пірохлору, ільменіту, триоксиду ренію та ін. Найчисленніші та добре вивчені сполуки, що належать до структурного типу перовськіту, які охоплюють кілька тисяч бінарних і десятки тисяч потрійних оксидів. Свою назву цей тип отримав від кубічного мінералу перовськіту СаTiO3. Загальна формула цих сполук АВО3, де А — одно-, дво- або тривалентний, а В — п’яти-, чотири- або тривалентний елемент (наприклад, BaTiO3, PbTiO3, LiTaO3, LiNbO3, SrTiO3, KTaO3; дві останні сполуки є віртуальними сегнетоелектриками, тому що сегнетоелектричний перехід наводиться введенням домішок або зовнішніми полями). Структурний тип перовськіту, крім сполук, що мають ідеально кубічну структуру, містить й інші сполуки, структури яких можуть бути отримані шляхом невеликих спотворень кубічної елементарної комірки. Існує велика кількість сегнетоелектриків на основі твердих розчинів типу АВ'1-хВ''хО3 або А'1-хА''хВО3, наприклад, Ba1-xSrxTiO3 (BST), KNb1-xTaxO3 (KNT), K1-xLixTaO3 (KLT). Поширені тверді розчини сегнетоелектрик-антисегнетоелектрик, наприклад, PbZr1-xTixO3 (PZT), який є одним з п’єзокерамічних матеріалів, що найбільше використовують в техніці.

До групи перовськіту належать так звані релаксорні сегнетоелектрики, наприклад, PbMg1/3Nb2/3O3 (PMN), PbSc1/2Ta1/2O3 (PST), Ba(Ti,Sn)O3, в яких відбувається сильне розмиття максимумів діелектричної проникності ε' при сегнетоелектричних фазових переходах. Діелектрична проникність магноніобату свинцю при температурах, близьких до 0 °С, проходить через максимум, що зсувається у бік більш високих температур зі збільшенням частоти. Це свідчить про релаксаційний характер діелектричної поляризації, тому їх називають релаксорними сегнетоелектриками, що підкреслює важливу роль релаксаційних процесів у цих матеріалах. Окрім сполук типу перовськіту, цілий ряд сегнетоелектриків та їх твердих розчинів належать до структурного типу пірохлору із загальною формулою А2В2О7. Типовим сегнетоелектриком цієї групи є піроніобат кадмію Cd2Nb2O7.

Близькими до перовськітових оксидів є структури, споріднені з тетрагональними вольфрамовими бронзами. Прикладами таких сегнетоелектриків є PbNb2O6, PbTa2O6, а також тверді розчини, наприклад, Sr5-xBaxNb10O30. Велику групу складають сегнетоелектрики та антисегнетоелектрики типу KH2PO4 (KDP), до складу яких входять водень та кисень.

Ці матеріали отримують та використовують у вигляді монокристалів, кераміки, плівок і скла. Для фундаментальних досліджень зазвичай використовують монокристали. Для практичних застосувань, де важлива невисока вартість, можливість надати будь-яку форму, використовують кераміку, плівки, скло. Найкращі властивості мають монокристали, з гіршими, але також гарними ознаками характеризуються плівки, вирощені епітаксійним методом.

Основні застосування сегнетоелектричних матеріалів пов’язані з особливостями їх діелектричних, оптичних, п’єзоелектричних, піроелектричних властивостей, а також ефектів перемикання поляризації. Сегнетоелектричні матеріали необхідні для виготовлення конденсаторів, оскільки вони мають високе значення діелектричної проникності ε' (до декількох десятків тисяч), тобто в малому об’ємі може бути досягнута велика ємність. Використовують керамічні матеріали BaTiO3, BaZrO3, SrTiO3 та їх тверді розчини. Перевага цих матеріалів у тому, що, крім великих значень ε', вони мають досить низькі значення tg , тобто, малі втрати. Позистори — термістори з позитивним температурним коефіцієнтом опору, що використовують ефект значного зростання опору при наближенні до температури фазового переходу. Цей ефект має місце в деяких керамічних сегнетоелектриках з домішками. Позистори широко використовують в системах теплового контролю у пускових пристроях потужних електромоторів у вимірювальній техніці. Вони мають кілька переваг: малий розмір, дешеві при виробництві, вібро- та пилостійкість. П’єзоелектричні перетворювачі (дія яких ґрунтується на прямому та зворотному п’єзоефектах) є одними з найпопулярніших типів пристроїв на сегнетоелектриках для промислового використання, а саме: акселерометри, детонатори, фотоспалахи, пристрої запалювання в газових системах (запальнички, опалювальні системи тощо), гідрофони, мікрофони, головки в програвачах, лінійні ультразвукові приводи, електромеханічні затвори, навушники та слухові апарати, зумери, гучномовці, верстатні приводи, друкувальні пристрої, гідроакустичні локатори, ультразвукові хімічні процесори (емульсифікатори, полімеризатори, стерилізатори тощо), ультразвукові очищувачі, ультразвукові пристрої контролю витоку газів і рідин, ультразвукове зварювання, лінії затримки, фільтри, трансформатори. Як процесори мікрохвильових сигналів у різних радіолокаційних системах і системах зв’язку у значній мірі застосовують пристрої на поверхневих акустичних хвилях. На основі поверхневих акустичних хвиль можна сконструювати лінії затримки, що кодують і декодують пристрої, хвилеводи, відгалужувачі та ін. Введенням домішок, механічними напругами, температурою можна керувати швидкістю звуку. Генерація гармонік, перебудова частоти та управління пучками лазерного випромінювання є основою використання сегнетоелектриків у квантовій електроніці. Це важливо у зв’язку зі зростанням ролі систем оптичного зв’язку. Особливо цікавим є застосування ефекту генерації сумарних гармонік перетворення ІЧ-випромінювання у видиме (нічне бачення). Фоторефрактивний ефект — зміна показника заломлення при локальному освітленні матеріалу, що використовують для оптичного запису інформації. Голограми записують на LiNbO3, BaTiO3, KTa1-xNbxO3 та ін. Такі системи оптичної пам’яті дуже перспективні як пристрої, що запам’ятовують і відображають (дисплеї) — важливі складові обчислювальних машин і систем зв’язку. Піроелектричні приймачі — реєстрація електромагнітного випромінювання, від інфрачервоного до γ-випромінювання. У тепловізорах інфрачервоне випромінювання перетворюється на TV-сигнал. Їх використовують в медицині, біології для безконтактного вимірювання температури та її розподілу по поверхні тіла, в астрономії для вивчення небесних світил. Розроблено низку пристроїв, що працюють на ефекті перемикання поляризації, наприклад, пристрої електронної обчислювальної техніки, що запам’ятовують.

Завантажити статтю