Химия твердого тела. Теория и приложения: В 2-х ч. Ч. 2 - Вест А.
ISBN 5-03-000071-2
Скачать (прямая ссылка):
15.5. Пироэлектрики
Пироэлектрические кристаллы родственны сегнетоэлектри-кам в том отношении, что у них отсутствует центр симметрии и возникает спонтанная поляризация Р.«. Однако от сегнетоэлект-риков их отличает то, что направление Ps не может быть изме
122
15. Другие электрические свойства
нено внешним электрическим полем. Поляризация пирозлектри-ков зависит от температуры
г\Р8 = пАТ (15.18)
где я — пироэлектрический коэффициент. Возникновение пироэлектрической поляризации объясняется тем, что при нагревании происходит расширение кристаллической решетки и при этом меняются длины диполей. Типичный пример пироэлектрических кристаллов — оксид цинка 2т\0 со структурой вюртцита.
Это соединение состоит из слоев ионов О2- с гексагональной плот-иейшей упаковкой и ионов 2п2+, занимающих один тип тетраэдричес-ких позиций, например Т+-тип (гл. 7). Все тетраэдры 2п04 ориентированы в одном направлении, а так. как каждый из них обладает ди-польиым моментом, то кристалл в целом оказывается поляризован-
„ ным. На противоположных гранях
Рис. 15.18. Смещение ато- „ и ^ ',ллП
мов фосфора в тетраэдре кристалла 1пО с индексом (001) Р02(ОН)2, приводящее к воз- должны находиться только ионы никновению спонтанной поля- О2- или 2п2+. Однако обычно на ризации. поверхностях кристалла адсорби-
руются полярные молекулы примесей, маскирующие поверхностные заряды. В результате пироэлектрический эффект в кристаллах часто не обнаруживается в исследованиях при постоянной температуре, а проявляется только при нагревании, приводящем к изменению Ря.
15.6. Пьезоэлектрики
В пьезоэлектрических кристаллах поляризация и электрический заряд противоположных граней возникают под действием приложенного механического напряжения. Как и в случае сег-нето-и пироэлектриков, для возникновения пьезоэлектрических свойств, необходимо, чтобы кристалл относился к одной из нецентросимметричиых точечных групп. Появление пьезоэлектрического эффекта определяется кроме кристаллической структуры материала еще и направлением приложенного напряжения. Так, например, в кварце поляризация возникает при сжатии вдоль направления [100] и отсутствует, если механическое напряжение направлено вдоль [001]. Возникающая поляризация Р и напряжение а связаны соотношением
Р = с1а (15.19)
где с1 — пьезоэлектрический коэффициент.
15.7. Сегието-, пьсзо- и пироэлектрические свойства
123
Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие кристаллы, структура которых содержит тетраэдрические фрагменты (например, 2пО, 2п$), так как приложение сдвиговых напряжений искажает тетраэдры. Одну из наиболее важных групп пьезоэлектриков образуют материалы типа ЦТС, представляющие собой твердые растворы цирконата и титаната свинца
(РЬ2гОз и РЬТЮз). Как видно из фазовой диаграммы этой системы (рис. 15.19), при некоторых составах твердые растворы ЦТС обладают также сегнето- и антисегнетоэлектрическими свойствами. Наилучшие пьезоэлектрические свойства достигаются при соотношении компонентов 1:1.
15.7. Взаимосвязь между сегнето-, пьезо-и пироэлектрическими свойствами
Сегнето-, пьезо- и пироэлектрические свойства обусловлены возникновением в некоторых кристаллах поляризованных областей, и совершенно очевидно, что между материалами, проявляющими эти свойства, должно быть много общего. Все эти материалы относятся к классу диэлектриков, на их свойства,
124
15. Другие электрические свойства
в первую очередь электрические, влияет электрическое поле. Пьезоэлектрики составляют подкласс диэлектриков; при механических напряжениях в них возникает электрический заряд, а в электрическом поле в них возникают механические напряжения. Пироэлектрики образуют подкласс пьезоэлектри-ков; в этих материалах имеется спонтанная поляризация и суммарный дипольный момент. Некоторые пироэлектрики обладают и сегпетоэлектрическими свойствами; это проявляется, в частности, в том, что направление спонтанной поляризации в них можно развернуть в противоположную сторону, воздействуя внешним электрическим полем. Следовательно, по определению сегнетоэлектрические материалы являются также и пиро- и пьезоэлектриками. Обратное утверждение однако неверно, т. е. далеко не все пьезоэлектрики могут проявлять пироэлектрические свойства и т. д.
15.8. Применение сегнето-, пьезо- и пироэлектриков
Естественно обсуждать применение этих материалов в одном разделе, поскольку, во-первых, часто возможна взаимная замена этих материалов и, во-вторых, в некоторых случаях необходимо, чтобы материал обладал не одним, а одновременно двумя или даже всеми тремя перечисленными свойствами. Возможности применения этих материалов чрезвычайно разнообразны, в особенности для сегнетоэлектриков, и потому здесь ограничимся лишь кратким перечнем наименее экзотических приложений, порекомендовав читателю, проявившему интерес к этому вопросу, познакомиться с прекрасной и исчерпывающе полной на сегодняшний день книгой Барфута и Тейлора [1].
Основная сфера промышленного применения сегнетоэлектриков— это конденсаторы. Поскольку у этих материалов диэлектрическая проницаемость е' высока (как правило, в интервале 102—-104), то их можно использовать для создания конденсаторов с большой емкостью [см. уравнения (15.9) и (15.11)]. Для этих целей используются в основном ВаТЮз и ЦТС (твердый раствор циркопата и титаната свинца) в виде плотной полпкри-сталлической керамики. Для сравнения заметим, что е/ таких общепринятых диэлектриков, как ТЮ2 или MgTiOa, находится в пределах от 10 до 100. Следовательно, при одинаковом объеме конденсатор из ВаТЮз обладает емкостью, в 10—1000 раз превышающей емкость диэлектрического конденсатора.
