Активні діелектрики

У той час як до пасивних діелектриків пред'являються вимоги збереження стабільності властивостей при різних зовнішніх, впливах, до діелектриків, що виконують активні функції керування енергією або перетворення вхідної інформації, пред'являються вимоги зовсім протилежні. Чим сильніше змінюються властивості матеріалу при зовнішніх збурюваннях, тим краще такий елемент виконує свої функції.

поляризацією, напрямок якої може бути змінений за допомогою зовнішнього електричного поля. Сегнетоелектрики володіють рядом специфічних властивостей, які проявляються лише в певному діапазоні температур. Температура (сегнегоелектрична точка Кюрі) є температурою фазового переходу, нижче цієї температури сегнетоелектрик володіє доменною структурою й характерними сегнетоелектричними властивостями; вище цієї температури відбувається розпад доменної структури й сегнетоелектрик переходить у параелектричний стан. Наслідком доменної будови сегнетоелектриків є нелінійна залежність їхньої електричної індукції від напруженості електричного поля (мал. 6.11), що зветься діелектричною петлею гістерезису, і різко виражена температурна залежність діелектричної проникності, у якій максимум діелектричної проникності досягається при температурі, що відповідає точці Кюрі. На мал. 6.12 наведена залежність діелектричної проникності титанату барію від температури при різній напруженості електричного поля.

У цей час відомо кілька сотень сегнетоелектриків, які за типом хімічного зв'язку й фізичних властивостей прийнято підрозділяти на дві групи: 1) іонні кристалі, до яких відносяться титанат барію, титанат свинцю, ніобат калію, барій-натрієвий ніобат, або скорочено БАНАН; і ін.; 2) дипольні кристалі, до яких відносяться сегнетова сіль NaKC₄H₄0₆ • 4 Н₂0, тригліцинсульфат (NH₂CH₂COOH) 3-_H2S0₄, дигідрофосфат калію КН₂Р0₄ і ін.

Всі сполуки першої групи нерозчинні у воді, мають значну механічну міцність, легко виходять за керамічною технологією. Дипольні сполуки, навпаки, мають малу механічну міцність і розчинність у воді, завдяки чому можна виростити великі монокристалі цих сполук з водяних розчинів.

Сегнетоелектрики знаходять застосування: для виготовлення малогабаритних низькочастотних конденсаторів з великою питомою ємністю; для виготовлення матеріалів з великою нелінійністю поляризації для діелектричних підсилювачів, модуляторів і інших керованих пристроїв; в обчислювальній техніці — для комірок пам'яті; для модуляції й перетворення лазерного випромінювання; у п’єзо- і піроелектричних перетворювачах. Серед конденсаторної сегнетокераміки можна виділити ряд матеріалів. Наприклад, Т-900, кристалічна фаза якого являє собою твердий розчин титанатів стронцію SrTi0₃ і вісмуту Bi₄Ti₃0₁₂ з температурою Кюрі Тк = —140 °С. Цей матеріал має згладжену залежність діелектричної проникності від температури. Для виробництва малогабаритних конденсаторів на низькі напруги використовують також матеріал СМ-1, виготовлений на основі титанату барію з добавкою оксидів цирконію й вісмуту. Для виготовлення конденсаторів, що працюють при кімнатній температурі, у тому числі й високовольтних, використовується матеріал Т-8000, що має кристалічну фазу на основі ВаТІО₃ — BaZr0₃. Точка Кюрі цього матеріалу перебуває поблизу кімнатної температури.

Для виготовлення нелінійних конденсаторів застосовуються інші сегнетоелектричні матеріали, що володіють різко вираженими нелінійними властивостями — сильною залежністю діелектричної проникності від напруженості електричного поля. Такі матеріали називаються варікондами. Варіконди призначені для керування параметрами електричних кіл за рахунок зміни їхньої ємності. Сегнетоелектрики, петля гістерезису яких за формою близька до прямокутної, наприклад, такі, як триглицинсульфат (ТГС), можна застосовувати в запам'ятовувальних пристроях ЕОМ.

Кристали деяких сегнетоелектриків і антисегнетоелектриків мають сильно виражений електрооптичний ефект (анти-сегнетоелектрики, як і сегнетоелектрики, також мають доменну будову, однак спонтанна поляризованість кожного домена в них дорівнює нулю, тому що дипольні моменти усередині кожного домена зорієнтовані антипаралельно). Електрооптичний ефект полягає в зміні показника заломлення середовища, що викликане зовнішнім постійним електричним полем. Він називається лінійним (ефект Поккельса), якщо показник заломлення змінюється пропорційно першій степені напруженості, і квадратично, якщо спостерігається квадратична залежність від напруженості поля (ефект Керра). Електрооптичні властивості сегнето-електричних кристалів використовуються для модуляції лазерного випромінювання, здійснюваного електричним полем, прикладеним до кристала. Для електрооптичних модуляторів світла використовують кристали ніобата літію LiNb0₃, дигідрофосфата калію КН₂Р0₄, прозору сегнетокераміку системи ЦТСЛ, що представляє собою тверді розчини цирконату-титанату свинцю з оксидом лантану.

П’зоелектрики — діелектрики із сильно вираженим п'єзоелектричним ефектом. Прямим п'єзоелектричним ефектом називають явище поляризації діелектрика під дією механічних напруг. При зворотному п’єзоефекті відбувається зміна розмірів діелектрика під дією прикладеного електричного поля. Хоча в цей час відомо більше тисячі речовин, що володіють п'єзоелектричними властивостями, у п’єзотехніці застосовується обмежена кількість матеріалів. Важливе місце серед них займає монокристалічний кварц, з якого вирізають пластини з потрібною для одержання високих характеристик кристалографічною орієнтацією. Кварцові резонатори, що представляють собою поліровані кварцові пластинки, які мають дуже малий tg δ і високу механічну добротність (тобто малі механічні втрати). Механічна добротність (величина, зворотна tg δ) у кварцових резонаторах може досягати 10⁶ — 10⁷. Крім кварцу в різних п’єзоперетворювачах використовують кристали сульфату літію, сегнетової солі, ніобата й танталату літію. Широко застосовується для виготовлення п’єзоперетворювачів п'єзоелектрична кераміка, виготовлена в основному із твердих розчинів цирконата-титанату свинцю PbZr0_{3 -}PbTi0₃(ЦТС). Перевага п’єзокераміки перед монокристаллами — можливість виготовлення активних елементів складної форми й будь-якого розміру. П’єзокераміка застосовується для виготовлення малогабаритних мікрофонів, телефонів, детонаторів, датчиків тисків, деформацій, прискорень, вібрацій, п’єзорезонансних фільтрів, ліній затримки, п’єзо-трансформаторів і ін.

До активних діелектриків відносяться піроелектрики, тобто діелектрики, що володіють піроелектричним ефектом. Піроелектричний ефект полягає в зміні спонтанної поляризованості діелектриків при зміні температури. До типових лінійних піроелектриків відносяться турмалін і сульфіт літію. Піроелектрики спонтанно поляризовані, але на відміну від сегнетоелектриків напрямок їхньої поляризації не може бути змінено зовнішнім електричним полем. При незмінній температурі спонтанна поляризованість піроелектрика скомпенсована вільними зарядами протилежного знака за рахунок процесів електропровідності й адсорбції заряджених часток з навколишньої атмосфери. При зміні температури спонтанна поляризованість змінюється, що приводить до звільнення деякого заряду на поверхні піроелектрика, завдяки чому в замкнутому ланцюзі виникає електричний струм.

Піроеффект використовується для створення теплових датчиків і приймачів променистої енергії, призначених, зокрема, для реєстрації інфрачервоного й нвч-випромінювання.

Значним піроефектом володіють деякі сегнетоелектричні кристали, до числа яких відносяться ніобат барію-стронцію, тригліцинсульфат - ТГС, ніобат і танталат літію. Піроелектричний ефект проявляється також у поляризованої, тобто. підданої дії постійного електричного поля, сегнетокераміки, а також у деяких полімерів, наприклад у поляризованих полівінилденфторида й полівініліденхлорида.

До електретів відносяться діелектрики, здатні тривалий час зберігати поляризований стан і створювати в навколишньому просторі електричне поле. Залишкова поляризація в електретах на відміну від піроелектриків і поляризованих сегнетоелектриків компенсована не повністю, що призводить у них до відмінної від нуля зовнішньої напруженості поля, що може бути дуже високою. Існують різні способи одержання електретів. Так, термоелектрети одержують шляхом охолодження в сильному електричному полі розплаву полярних діелектриків; фотоелектрети виготовляють із матеріалів, що володіють фотоелектропроводністю — сірки, сульфіту кадмію — при одночасному впливі світла й електричного поля; короноелектрети одержують при зниженому тиску газу в коронному розряді й ін. Якщо заряд в електреті створюється за рахунок різних релаксаційнних механізмів поляризації, то такі заряди називають гетерозарядами. Ці заряди мають знак, протилежний знаку заряду електродів. Якщо заряди переходять на поверхню твердого діелектрика з поляризуючого електрода або повітряного зазору й мають той же знак, що й електроди, то такі заряди називають гомозарядами.

Гомозаряди переважають у неорганічних (керамічних) матеріалів і органічних неполярних діелектриків, гетеро заряди - в органічних полярних діелектриків. Час життя электретів може досягати в нормальних умовах декількох років, але швидко зменшується з підвищенням температури й вологості за рахунок звільнення й нейтралізації носіїв заряду, захоплених уловлювачами.

Найбільше практичне застосування знаходять електрети із плівок поліетилентерефталата (лавсану), фтопласта-4, полікарбонату й ін. Електрети застосовуються для виготовлення мікрофонів, телефонів, дозиметрів радіації, вологості, електрометрів в електрофотографії й у багатьох інших випадках.

Тверді діелектрики для оптичних квантових генераторів (лазерів) є активним середовищем, що представляє собою кристалічну або склоподібну матрицю, у якій рівномірно розподілені активні іони (активатори). Всі процеси поглинання й випромінювання світла пов'язані з переходами електронів між рівнями активного іона, при цьому матриця відіграє пасивну роль. Спектр випромінювання лазера в основному залежить від типу активного іона. Як речовина кристалічної або склоподібної основи, так і активатори повинні задовольняти цілому ряду специфічних вимог.