Уникальные свойства сегнетоэлектриков находят многочисленное применение в технике. Остановимся на основных направлениях их применения.
Конденсаторная сегнетокерамика
Применение в обычных конденсаторах (или конденсаторная сегнетокерамика). Как уже неоднократно отмечалось, сегнетоэлектрики обладают очень большой диэлектрической проницаемостью в определенном интервале температур. Максимальная диэлектрическая проницаемость, небольшая зависимость ее от температуры, несущественные диэлектрические потери, минимальная зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности поля, высокие значения удельного сопротивления, невысокий тангенс угла диэлектрических потерь -- это те свойства, которые необходимы для производства конденсаторов. Чаще всего для изготовления сегнетоэлектрических конденсаторов используют твердые растворы. Значение $\varepsilon $ при этом регулируется с помощью изменения концентрации раствора. Также можно изменять нелинейность поляризации и корректировать точку Кюри.
Для того, чтобы уменьшить зависимость характеристик конденсаторов от температуры в состав сегнетоэлектрика включают различные дополнительные компоненты, которые «размывают» фазовый переход у диэлектрика. Примером сегнетокерамического материала, который широко применяется на практике, служит вещество с названием Т-900.
T-900 - это твердый раствор титаната стронция и висмута. Он имеет несущественную зависимость $\varepsilon \left(T\right).$ Точка Кюри $T_k=-140{\rm{}^\circ\!C}$. Соответственно, рабочий диапазон правее точки Кюри.
Для изготовления небольших конденсаторов чаще используют другой материал (CМ-1), который имеет сглаженную зависимость диэлектрической проницаемости от температуры. Он состоит из титаната бария с оксидом циркония и висмутом.
Еще один сегнетокерамический материал T-8000 состоит из твердого раствора титаната бария и цирконата бария. Температура Кюри этого раствора лежит в интервале комнатных температур. Этот материал используется для конденсаторов, которые применяются в узком интервале комнатной температуры.
Вариконды
Сегнетоэлектрики применяются для изготовления переменных конденсаторов (варикондов). Такие конденсаторы отличаются существенно нелинейными свойствами. К характеристикам таких конденсаторов необходимо отнести повышенную диэлектрическую проницаемость и резкую зависимость $\varepsilon \left(T,E\right).$ Важнейшая характеристика переменного конденсатора - это коэффициент нелинейности (K), который определяют как:
где ${\varepsilon }_{max}$ -- максимальная диэлектрическая проницаемость, ${\varepsilon }_n$ -- начальная диэлектрическая проницаемость. Коэффициент K у разных материалов может меняться от 4 до 50. Основой таких материалов являются твердые растворы $Ba(Ti,Sn)O_3$ или $Pb(Ni,Zr,Sn)O_3$. Как правило, переменные конденсаторы имеют форму дисков толщиной 0,4 -- 0,6 мм. Такой конденсатор снаружи покрыт красной эмалью и на его корпусе стоит голубая точка.
Характерным свойством сегнетоэлектрика является наличие диэлектрического гистерезиса. Благодаря такому свойству данные диэлектрики используют для записи информации.
Поляризация в одном направлении -- значит сохранение единицы информации в памяти, изменение направления поляризации хранение нуля информации. Для подобного использования берут вещества, у которых петля гистерезиса близка к прямоугольной (рис.1).
Рис. 1
Такая петля наблюдается в сегнетоэлектриках, которые являются монокристаллами, например, в триглицинсульфате. Так как направление поляризации сегнетоэлектрика можно изменять, используя внешнее поле разной полярности, на этом свойстве основали запись, стирание и считывание информации. Информацию можно считывать с помощью оптического метода или измеряя сопротивление пленки полупроводника на поверхности сегнетоэлектрика. При этом толщина кристалла определяет время, которое необходимо для переключения кристалла.
Лазеры
Некоторые сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики имеют очень выраженный электрооптический эффект. Он состоит в изменении показателя преломления среды, вызываемый внешним электрическим полем. Данные свойства сегнетоэлектриков используют для модуляции излучения лазеров, которое делают с помощью поля, которое приложено к кристаллу. Для подобных целей используют кристаллы $LiNbO_3,$ $KH_2PO_4$ и некоторые другие.
Сегнетополупроводники
Использование как сегнетополупроводников. Для получения подобных материалов сегнетокерамики легируют неодимом и марганцем, тогда в материалах появляются донорные и акцепторные уровни, проводимость повышается до величин, которые характерны для полупроводников. Но высокая проводимость существует только в полярной фазе при температурах ниже, чем температура Кюри ($T_k$). Около точки Кюри проводимость резко падает более чем в сто раз и снова повышается только когда температура достигает значений существенно превышающих $T_k$. Данный эффект носит название - позисторный. Такие сегнетоэлектрики (позисторы) имеют низкое сопротивление при низкой температуре и высокое при высокой температуре. Позисторы применяются как элементы систем теплового контроля в измерительной технике, в пусковых системах, в авторегулировке.
Развитие сегнетоэлектричества
Сегнетоэлектричество, как и многие разделы физики находится в процессе непрерывного развития. Постоянно идет процесс углубления знаний в области этого вида диэлектриков и возможностей практического применения их уникальных свойств. В теории сегнетоэлектричества расширились возможности применения классической теории Ландау для описания свойств малоразмерных и нано размерных объектов, кристаллов с неоднородным распределением поляризации. В связи с появлением новых методов исследования свойств и природы явления сегнетоэлектричества расширились возможности экспериментального исследования физических свойств, доменной и кристаллической структуры объемных и нано структурированных объектов сегнетоэлектриков. Так, например, качественно новым направлением стало получение исследование и применение сегнетоэлектриков в виде тонких пленок, сверх решёток и композитов.
Сегнетоэлектрические решетки представляют собой новый класс материалов, которые созданы искусственно. Их свойства часто лучше проявляются, чем у «объемных сегнетоэлектриков». Одной из областей применения сегнетоэлектрических решеток является их использование в электронике в устройствах энергонезависимой сегнетоэлектрической памяти.
Задание:
Первые сверх решетки сегнетоэлектрические решетки, которые были выращены и исследованы, это были решетки ${\left(BaTiO_{3,\ }\right)}_1{\left(BaZrO_{3\ }\right)}_n$ где $n=1-7$. Было получено, что в слоях титаната бария, толщина которого одна элементарная ячейка, появляется квазидвумерное сегнетоэлектричество поляризованное в направлении плоскости слоя, причем оно слабо взаимодействует с соседними слоями. Энергия упорядочения и высота барьера, который разделяет разные поляризационные состояния в этих решетках велики.
Не так давно проводились исследования сегнетоэлектрической неустойчивости в решетках сегнетоэлектрика ${\left(KNbO_3\right)}_1{(KTaO_3)}_n$. Они показали, что с увеличением n в солях $KNbO_3$ в слоях в одну элементарную ячейку сохраняется способность к сегнетоэлектрическому упорядочиванию, тогда как энергия взаимодействия между соседними слоями убывает по экспоненте. Установлено, что при $n\ge 2$ основное состояние решетки -- массив поляризованных плоскостей сегнетоэлектрика, чья поляризация сосредоточена в слое $KNbO_3,\ $мало взаимодействует с соседними слоями. Использование таких массивов квазидвумерных плоскостей сегнетоэлектриков для трехмерной записи информации позволит получить объемную плотность порядка ${10}^{18}\frac{бит}{{см}^3.}$. Однако, следует заметить, что пока для того, чтобы реализовать необходимое, описанное выше состояние, необходима довольно низкая температура (около 4К). Объясните, почему описанное выше состояние требует низкой температуры.
Ответ: Реализация описанного состояния требует низких температур, так как для данной сегнетоэлектрической решетки необходимы низкие энергии сегнетоэлектрического упорядочения. Высоты потенциальных барьеров, которые разделяют разные поляризационные состояния, тоже не велики.
Задание:
Высокая диэлектрическая проницаемость титаната бария дает возможность его использования в блокировочных малогабаритных конденсаторах большой емкости. Еще больший интерес представляет использование его как нелинейного элемента. Начало такого применения дал проф. В.П. Вологдин, когда применил титанат бария для умножителя частот. Принцип действия такого умножителя заключался в том, что вследствие нелинейной зависимости емкости конденсатора из титаната от напряжения на входе при подаче на него синусоидального напряжения ток будет содержать высшие гармоники, которые легко выделяются.
При добавлении к титанату бария добавление изоморфных веществ сдвигает точку Кюри в сторону более низких температур и уменьшает диэлектрическую проницаемость в ее максимуме.
Подобные изоморфные смеси проявляют явление гистерезиса.
Добавление к титанату бария изоморфных веществ уменьшает его сегнетоэлектрические свойства, но это оказывается практически целесообразно, почему?
Ответ: При составлении подобных смесей понижается тангенс угла диэлектрических потерь. Кроме того возникает возможность управлять величиной температуры Кюри. Такие методы особенно рациональны оказываются в области высоких частот. Это имеет применение для микроволновой техники. К примеру, при частоте 9450 МГц вещество, имеющее в своем составе 56% $BaTiO_{3,\ }$ и 44% $SrTiO_{3,\ }$ при комнатной температуре имеет $\varepsilon =760$ и тангенс угла диэлектрических потерь ($tg\delta $) равный 0,0$2$.
