П’єзоелектричні та сегнетеоелектричні матеріали

ПʼЄЗО­ЕЛЕКТРИ́ЧНІ ТА СЕГНЕТО­ЕЛЕКТРИ́ЧНІ МАТЕРІА́ЛИ Необхідною умовою існува­н­ня пʼєзоефекту є від­сутність центру інверсії серед елементів симетрії кри­стала. Отже, пʼєзо­електрика можлива у речовинах, що належать до 20-ти (з 32-х) точкових груп симетрії (на­приклад, кварц, хлорат і бромат натрію, сульфат нікелю), полярні пʼєзо­електрики — піро­електрики, сегнето­електрики в сегнетофазі (на­приклад, титанат барію, титанат свинцю), сегнето­електрики групи KDP у всьому температурному інтервалі, пʼєзонапів­провід­ники (на­приклад, сульфід кадмію, оксид цинку, сульфо­йодид сурми). Серед 20-ти нецентросиметричних груп найсильніший пʼєзоефект мають сегнето­електрики у ви­гляді монокри­сталів або поляризованої кераміки. Сегнето­електричні матеріали мають аномально високі пʼєзокоефіцієнти 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 — пʼяти-, 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 пʼєзокерамічних 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 повʼязані з особливостями їх ді­електричних, оптичних, пʼєзо­електричних, 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 обʼємі 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. Пʼєзо­електричні пере­творювачі (дія яких ґрунтується на прямому та зворотному пʼєзоефектах) 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 звʼязку 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 звʼязку зі зро­ста­н­ням ролі систем оптичного звʼязку. 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 памʼяті дуже пер­спективні як при­строї, що запамʼятовують і від­ображають (дис­плеї) — важливі складові обчислювальних машин і систем звʼязку. 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 запамʼятовують.

Завантажити статтю