Лабораторная работа № 15 «Изучение нелилейных свойств сегнетоэлектриков»

www. globalteka. ru® Заказать диплом, курсовую, диссертацию

Лабораторная работа № 15

«Изучение нелилейных свойств сегнетоэлектриков»

Цель работы

Изучение и анализ зависимости диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от внешнего электрического поля.

Теория.

1.1.Общие сведения о сегнетоэлектриках:

Сегнетоэлектрики - вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля. Сегнетоэлектрики обладают рядом специфических свойств, которые проявляются лишь в определенном диапазоне температур. В настоящее время известно несколько сотен сегнетоэлектриков, которые по типу химической связи и физическим свойствам принято подразделять на две основные группы:

ионные кристаллы, к которым относятся титанат бария (BaTiO3), титанат свинца (PbTiO3), ниобат калия (KNbO3), барий-натриевый ниобат (BaNaNb5O15) или сокращенно БАНАН и др.; дипольные кристаллы, к которым относятся сегнетова соль (NaKC4H4O6.4H2O), триглицинсульфат (NH2CH2COOH3.H2SO4), дигидрофосфат калия (KH2PO4) и др.

Сегнетоэлектрики находят применение для изготовления малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью, материалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и др. управляемых устройств, для модуляции и преобразования лазерного излучения, в акусто - и пьезоэлектрических преобразователях.

1.2.Свойства сегнетоэлектриков.

Электрооптические свойства сегнетоэлектрических кристаллов используют для модуляции изменением электрического поля прикладываемого к кристаллу, осуществляемого электрическим полем, приложенным к кристаллу. Отметим, что все сегнетоэлектрики обладают пьезоэлектрическим эффектом, однако обратное не справедливо.

Пьезоэлектрические и сегнетоэлектрические материалы отличаются друг от друга тем, что у первых отсутствует спонтанная поляризация. Поляризацию указанных материалов можно рассматривать как электрический аналог намагниченности и другие свойства могут быть сходны по поведению, тогда как причиной их возникновения и следствием является воздействие на материалы электрической составляющей электромагнитных полей. У сегнетоэлектрических материалов также наблюдается доменное строение, им присуща кривая поляризации в зависимости от напряженности внешнего электрического поля с петлей гистерезиса (наклон зависит от диэлектрической проницаемости), температура Кюри, на их основе могут быть созданы электрооптические затворы, модуляторы, звукозаписывающие и воспроизводящие (эффект электрострикции) и другие подобные устройства. Сегнетоэлектрики, обладающие высокими значениями диэлектрической проницаемости используются как конденсаторные материалы.

Рисунок 1. Структура титаната бария (перовскит) с ромбоэдрическими искажениями

Типичным представителем данного класса является титанат бария со структурой типа перовскита. Причина появления сегнетоэлектрических свойств в том, что центры тяжести ионов титана смещены относительно геометрических центров кислородных октаэдров (Рис. 1), что создает электрическую раскомпенсацию подрешеток положительно и отриц-но зар-ных ионов.

Спектр используемых материалов, обладающих специфическими электрическими свойствами достаточно широк. У диэлектрических изолирующих веществ большая ширина запрещенной зоны и электроны не могут проникнуть из валентной зоны в зону проводимости. В полупроводниковых материалах переход носителей тока в зону проводимости облегчается наличием промежуточных донорных или акцепторных уровней энергии. Металлические и некоторые другие материалы проводимостью за счет образования т. н. электронного газа не имеют запрещенной зоны. Проводимость в сверхпроводниках (интерметаллиды типа Nb3Ge, Nb3Sn, V3Ga, сложные оксиды YBa2Cu3O7-d или содержащие Bi, Tl, Hg) осуществляется по имеющимся гипотезам за счет т. н. куперовских электронных пар. В твердых ионных проводниках электроперенос осуществляется за счет подвижности ионов в кристаллической решетке по тому или иному механизму, при этом возможен униполярный перенос, т. е. только ионами одного знака, как в материалах, используемых для создания электрохимических топливных элементов. В последних происходит перенос кислорода через твердый электролит под действием разности химических потенциалов за счет того, что на одну из его сторон подаются газообразные окисляемые вещества (топливо). Такое устройство способно вырабатывать электроэнергию.

Для материалов, выполняющих те или иные электрические функции, важны температурные зависимости электропроводности. Так например в сложных оксидах при невысоких температурах может быть реализована проводимость за счет наличия примесей, а при их повышении – собственная (Рисунок 2.).

Рисунок 2.

Температурная

зависимость

электропроводности.

Сегнетоэлектричество - электрический аналог ферромагнетизма. Подобно тому как в ферромагнитных веществах при помещении их в магнитное поле проявляется остаточная магнитная поляризация (момент), в сегнетоэлектрических диэлектриках, помещенных в электрическое поле, возникает остаточная электрическая поляризация.

Микроскопической причиной сегнетоэлектричества является наличие внутри вещества атомных (или молекулярных) диполей. Эти диполи ориентируются внешним электрическим полем и остаются ориентированными после снятия поля; переключение направления поля на противоположное приводит к обратной ориентации диполей. Принципиальное отличие сегнетоэлектричества от ферромагнетизма состоит в том, что свободные электрические заряды могут экранировать электрические поля, создаваемые электрическими диполями, а это затрудняет прямое наблюдение статической поляризации. Поляризацию обычно измеряют по так называемой петле гистерезиса. Образец помещают между пластинами конденсатора, на которые подается переменное напряжение E. На экране осциллографа регистрируется кривая зависимости заряда, возникающего на пластинах, а тем самым и электрической поляризации (поскольку заряд, отнесенный к единице площади поверхности пластин, является мерой вектора электрической поляризации P), от напряжения (поля) E. Петля гистерезиса, (Рисунок 3.) характеризуется двумя величинами: остаточной поляризацией P (любого знака), имеющейся даже при нулевом поле E, и коэрцитивным полем Ec, при котором вектор поляризации изменяет направление на обратное. Площадь петли гистерезиса равна работе электрических сил, затрачиваемой в пределах одного цикла перехода сегнетоэлектрика между двумя эквивалентными состояниями поляризации противоположного знака.

Рисунок 3.

Хотя образование петли гистерезиса является свидетельством наличия сегнетоэлектричества, во многих сегнетоэлектрических веществах она возникает лишь при определенных условиях, а иногда и вообще не наблюдается. Подобные трудности характерны для электропроводящих веществ, материалов с высокими диэлектрическими потерями и очень большими коэрцитивными полями. В этих случаях для выявления сегнетоэлектричества используются другие эффекты, в частности пироэлектрический эффект (зависимость вектора поляризации от температуры), зависимость диэлектрической проницаемости от температуры, наличие доменной структуры, особенности кристаллической структуры и динамики решетки.

Кристаллическая структура BaTiO3 (Рисунок 4.) достаточно проста для исследования методом рентгеноструктурного анализа и дала первую детальную картину атомных смещений, сопутствующих установлению сегнетоэлектричества. Выше температуры Кюри Тс (135° С) кристалл имеет объемно-центрированную кубическую решетку. При температуре, равной Тс, ион титана скачком смещается вдоль одной из осей куба (рис. 3), в результате чего возникает тетрагональная структура. Соседние ионы титана смещаются в том же направлении, что и приводит к появлению макроскопической поляризации, т. е. сегнетоэлектричеству. При температурах ниже комнатной по мере того, как ионы Ti смещаются вдоль других осей куба, происходят два дальнейших фазовых перехода в орторомбическую и ромбоэдрическую структуры. Было выявлено много соединений, обладающих подобной простой структурой перовскита или близкой к ней, и найдены важные технические применения. Температура Кюри и другие сегнетоэлектрические характеристики существенно зависят от состава таких соединений.

Рисунок 4.

В кубической структуре шесть главных направлений вдоль ребер куба эквивалентны друг другу, а потому понятие тетрагонального искажения в равной мере пригодно по отношению к любому из них. В только что выращенном кристалле отдельные области, «домены», имеют разные направления поляризации. Эти домены часто выявляются в поляризованном свете, поскольку оптические свойства домена обладают той же симметрией, что и локальная кристаллическая структура. Ширина границ между доменами («доменных стенок»), как правило, не превышает нескольких элементарных ячеек.

Если к многодоменному кристаллу приложить электрическое поле (превышающее Ec), то домены, ориентированные вдоль поля, будут расти (вследствие смещения доменной стенки) за счет ориентированных против поля. В итоге весь кристалл превращается в один домен с однородными оптическими свойствами. Обращение вектора поляризации тоже сопровождается смещением доменной стенки.

Поскольку многие сегнетоэлектрические соединения обладают сходными структурами, можно образовать твердые растворы из двух или более таких веществ. Подобные растворы часто отличаются по своим свойствам от их ингредиентов; в частности, точка Кюри оказывается размытой, так что сегнетоэлектрический переход происходит постепенно в широком диапазоне температур и диэлектрическая проницаемость в этом диапазоне обнаруживает сложное поведение релаксационного характера. Такие переходы обычно называют диффузными, и соответствующие микроскопические процессы весьма интенсивно исследуются. Другие структуры, например композиционные материалы на основе сегнетоэлектриков и полимеров или стекол, часто сохраняют ценные качества своих ингредиентов. Примером могут служить гибкие сегнетоэлектрики, сегнетоэлектрики с большой сжимаемостью, а также многослойные структуры с большой электрической емкостью (способностью к накоплению заряда). Подобные композиционные материалы возможны по той причине, что из многих сегнетоэлектриков (например, BaTiO3 и цирконата-титаната свинца PZT) можно без труда изготовить поликристаллические керамики, а будучи отлиты в сложные формы, они обычно в значительной мере сохраняют сегнетоэлектрические свойства массивного материала.

2. Описание лабораторной установки

При определении диэлектрической проницаемости е сегнетоэлектрического конденсатора применяется следующая установка (см. рис.2.1).

С1 = 0.1мкФ

Рисунок 2.1. Схема электрическая принципиальная лабораторной установки для исследования сегнетоэлектрического конденсатора.

На сегнетоэлектрический конденсатор подается постоянное напряжение смещения UCM от источника напряжения GV1. Переключатель S1 предназначен для изменения полярности этого источника. Это напряжение через R1 поступает на сегнетоэлектрический конденсатор.

Переменное напряжение UnepeM от источника GV2 поступает через конденсатор С/ на сердечник. Переключая S2 в положение 1 можно измерить напряжение UnepeM в точке 3; а в положении 2 измеряется напряжение UR2 на калиброванном резисторе R2.

Прибор PV1 служит для измерения установленного напряжения смещения.

При расчетах пользуются следующими приближениями:

·  , поэтому частота выбирается низкой f= 1 кГц, при этом

диэлектрическая проницаемость определяется по формуле для плоского конденсатора:

·  , где С - емкость исследуемого сегнетоэлектрического конденсатора,

d—толщина сегнетоэлектрика.

·  Use =Uсиссл =Uперем—U R2 , — пренебрегают напряжениями

подводящих проводников и другими явлениями, считая, что напряжение на сегнетоэлектрике точно равно напряжению, измеряемому в опыте. Пренебрегая активной проводимостью образца, сегнетоконденсатора определяют по формуле

,где

Откуда получают окончательную формулу для расчета диэлектрической проницаемости: (2.1)

З. Данные, необходимые для расчетов

Частота GV2 f=1кГц

Толщина сегнетоэлектрика d=0,5 мм

Площадь обкладок конденсатора S=3 мм2

Сопротивление R2=lкОм

Диэлектрическая проницаемость e0=8,8541878-10-12 Ф/м

5. Порядок выполнения работы

Собрать лабораторную установку в соответствии с рисунком 2.1.

1.1. Вместо источника питания GV1 в данной лабораторной используется схема, приведенная на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1. Схема, замещающая высоковольтный источник питания GV1.

С1,С2-20мкФ*400В

1.2. К лабораторному стенду необходимо подключить:

• Два генератора GV1 и GV2 с частотой f=1кГц.

• Вольтметры PV1 и PV2 постоянного и переменного напряжения.

!!! Некоторые измерения проводят при плавной разрядке конденаторов. Для

случаев, где это не надо необходимо разряжать конденсаторы.

2. Снять зависимость e = e(Uneрeм) в прямом и в обратном смещении и занести данные в таблицу 5.1.

2.1. Установить постоянное напряжение смещения UCM =100 В на приборе PV1 при помощи изменения выходного напряжения генератора GV1.

2.2. Установить переменное напряжение UnepeM = 20В.

2.3. Установить переключатель S1 в положение 1.

2.4. Установить переключатель S2 в положение 1.

2.5. Измерить напряжение Uc в точке 3 при помощи PV2.

2.6. Установить переключатель S2 в положение 2.

2.7. Измерить напряжение ur2 при помощи PV2.

2.8. Установить переключатель S1 в положение 2 и повторить пункты 2.4-2.7.

2.9. Изменяя переменное напряжение UnepeM с шагом 20 В, провести измерения

по пунктам 2.3-2.8.

2.10. Результаты занести в таблицу 5.1.

3. Построить график зависимости e = e(UnepeM).

На графике выбрать четыре значения UnepeM, соответствующие

- начальному участку UпеpeMi

- наибольшей крутизне нарастания UnepeM2

- максимальному значению Uперемз

- спадающему участку характеристики UnepeM4

4. Исследовать e=e(UCM) при выбранных в пункте 3 значениях Uneрем. и занести полученные результаты в таблицу 5.2.

4.1. Установить переключатель S1 в положение 1 и больше не переключать его в другое положение.

4.2. Установить переменное напряжение UnepeMi.

4.3. Установить постоянное напряжение смещения UCM =0 В на приборе PV1 при помощи изменения выходного напряжения генератора GV1.

4.4. Установить переключатель S2 в положение 1.

4.5. Измерить напряжение Uc в точке 3 при помощи PV2.

4.6. Установить переключатель S2 в положение 2.

4.7. Измерить напряжение ur2 при помощи PV2.

4.8. Установить переключатель S1 в положение 2 и повторить пункты 4.4-4.7.

4.9. Изменяя постоянное напряжение смещения UCM с шагом 20 В, провести

измерения по пунктам 4.4-4.8.

4.10. Результаты занести в таблицу 5.2.

Расчет

5. Произвести расчет значений диэлектрической проницаемости e no формуле (2.1), и занести их в таблицы 5.1 и 5.2.

Таблица 5.1. Данные для зависимости е = e(UnepeM) в прямом и в обратном смещении

UN	UR, В	ur, в	Uc, В	ис, В	8	e
	+100	-100	+100	-100	+100	-100
20		•
40
...
220
240
260

Таблица 5.2. Данные для зависимости е = s(Uсм) при различных U,

перем-

UCM, В	Uперем1,В*50В	Uперем2, В=100В	UперемЗ, В=150В
	ur, в	Uc,5	Б	ur, в	Uc, В	e	UR, В	Uc, В	6
0
20
40
…
120
140

б. Отчет должен содержать

1. Цель работы.

2. Таблицы данных с расчетами.

3. Графики зависимостей:

-е=e(Unepeм) в прямом и в обратном смещении

- е = e(UCM) при различных UnepeM

4. Выводы о проделанной работе.