Механика электромагнитных сплошных сред - Можен М.
ISBN 5-03002227-9
Скачать (прямая ссылка):
е = С(е -ЭУ1; (1.4.2)
здесь постоянные С и 0* - характеристики данного кристалла; температура
0* обычно на несколько градусов ниже вс-
Кристаллы сегнетоэлектрика можно разделить на несколько групп по
химическому составу, структуре и свойствам в электрическом поле: (1)
дигидроген фосфаты и арсенаты щелочных металлов (например, КН2РО4 с
0С=)23°К; см. рис. 1.4.2); (2) тантраты (например, соль Рошеля NaKC4H4-
4H20, впервые полученная в 1672 г., имеет две температуры фазового
перехода: 255 °К и 296°К, рис. 1.4.3); (3) так называемая группа GASH (по
названию гуанидин алюминат сульфат дегидрат); (4) кислородная
октаэдронная группа (например, титанат бария BaTi03, который выше точки
0с = 393°К имеет так называемую структуру перовскита).
Сегнетоэлектрики также подразделяются на ионные и дипольные в зависимости
от типа поляризации, приводящей к катастрофе Массоти.
32 Гл. 1. Основные электрические и магнитные свойства твердых тел
в, °к
^'=255°К
Рис. 1.4.2. Зависимость для спонтан- Рис. 1.4.3. Зависимость для
спонтанной поляризации дигидрофосфата ной поляризации соли Рошеля,
калия КН2Р04.
Ионные сегнетоэлектрики. К ним относятся титанат бария (ВаТЮз), ниобат
калия (KNbC>3, 0С = 8О8ОК) и др. Для иллюстрации можно рассмотреть
титанат бария (рис. 1.4.4). Его получают обжигом равных молей двуокиси
титана ТЮ2 и окиси бария ВаО (на практике ВаО вводится в виде карбоната
бария ВаСОз, при нагреве разлагающегося на ВаО и С02, уходящего из
области реакции). Титанат бария и другие материалы, которые обладают
свойствами сегнетоэлектрика и в поликристаллй-ческом виде в отличие,
например, от соли Рошеля и которые образуются в процессе приготовления
керамических изде-кислорода ЛИ;"} требуемой формы и размеров, часто
называют сегне-тоэлектрическими керамиками.
Рассмотрим подробнее кристаллическую ячейку на примере ВаТЮ3. При 0 > 0С
(фаза параэлектрика) ячейка представляет собой гранецентрированный куб с
ионами титана в ее центре, ионами бария в углах и ионами кислорода в
центрах граней. Каждый из восьми ионов бария принадлежит восьми соседним
ячейкам, а каждый из шести ионов кислоро-
ф ион титана О ион бария
<8>
Рис. 1.4.4. Элементарная ячейка ти-таната бария (BaTiOj).
§ 1.4. Сегнетоэлектрические кристаллы
33
да-двум соседним ячейкам. Длина ребра куба около 4 А. Наиболее вероятно
состояние ячейки, в котором ионы титана и кислорода взаимно смещены по
направлению друг к другу (вдоль осей хи х2, х3) с образованием
ковалентной связи между ними. Величина смещения ~0.1 А.
При 0 > 0с тепловая энергия кристаллической решетки достаточно велика,
чтобы все шесть равновесных положений иона бария были одинаково вероятны
и ячейка в среднем могла моделироваться кубом.
При 0 < 0С тепловой энергии уже не хватает, чтобы преодолеть
электрические силы взаимодействия между отдельными ячейками со смещенными
ионами титана и кислорода (очевидно, такие ячейки приобретают некоторый
электрический момент и становятся электрическими диполями). Вещество
разбивается на области спонтанной поляризации, в которых одно направление
смещения ионов титана и кислорода вероятнее других (и причина этого не
внешне приложенное поле). Смещение ионов титана и кислорода слегка
искажает форму ячейки. Вдоль оси, параллельной перемещению ионов, ячейка
растягивается, а вдоль двух других осей - сжимается, и кубическая
структура переходит в тетрагональную (рис. 1.1.1). В результате при
переходе через точку Кюри 0С происходит особый тип фазового перехода,
называемый переходом со смещением. Нужно отметить, что температура 0с
заметно зависит от примесей, которые могут быть в кристалле.
Дипольные сегнетоэлектрики. К ним относятся соль Рошеля, нитрит натрия
(NaN02, 0с = 433°К) и др. Единичная ячейка этих кристаллов содержит атомы
или группы атомов, которые могут находиться в двух возможных равновесных
состояниях. Примером может служить атом азота в группе N02 в NaNCb (рис.
1.4.5). Ячейка имеет электрический момент Р, направление которого зависит
от расположения упомянутого атома. В фазе параэлектрика (0 > 0с) диполи
распределены по обоим направлениям хаотически и равновероятно, тогда как
в фазе сегнетоэлектрика (0 < 0с) они ориентируются в основном в одном
направлении. Фазовый переход в точке 0С является, таким образом,
переходом типа порядок - беспорядок.
Неправильные сегнетоэлектрики, такие, как сульфат аммония (NH4)2S04, 0с =
449°К, источником спонтанной поляризации скорее имеют другие факторы, чем
поляризационная катастрофа, например деформацию кристаллической решетки
во время фазового перехода.
Антисегнетоэлектрики, такие, как цирконат свинца (PhZrOe, 0с = 5О7°К) и
ниобат натрия (NaNb03, 0с = 627°К),-
3 Ж. Можеи
34 Г л. 1. Основные электрические и магнитные свойства твердых тел
кристаллы с антипараллельным расположением дипольных моментов.
Антипараллельное расположение сводит спонтанную поляризацию этих
кристаллов к нулю. В достаточно сильном
Рис. 1.4.5. Элементарная ячейка нитрита натрия NaN02 с положительным (а)
