Файл 37. Сегнетоэлектричество в полярных диэлектриках (стр. 2 )

Наконец, при Т=183 К происходит еще один переход из ромбической фазы в ромбоэдрическую сегнетофазу, пространственная группа которой . В ней атомы смещены вдоль одного из восьми направлений типа исходной кубической ячейки. Отметим, что все упомянутые фазовые переходы сопровождаются аномалиями физических свойств кристалла. Подобное чередование ФП наблюдается в кристаллах , в то время как  в кристаллах имеется только один сегнетоэлектрический ФП из кубической в тетрагональную фазу при  765 К. 

9. 2. Сегнетоэлектрические домены

Одно из характерных отличий сегнетоэлектриков это наличие в них доменов [7]. Домен это макроскопическая область с одинаковым направлением дипольных моментов всех ячеек. Совокупность доменов составляет доменную структуру кристалла, в которой домены отделены от соседей доменными стенками.. Указывают, как правило, две основные причины образования доменов. Первая из них симметрийная. Она исходит из того, что в сегнетоэлектрическом кристалле можно выделить одну или несколько кристаллографических осей, эквивалентных в исходной фазе, вдоль которых с равной вероятностью при фазовом переходе может возникнуть спонтанная поляризованность. Если полярная ось одна, то можно получить два типа доменов с антипараллельной ориентацией , если число осей , то типов доменов может быть 2. Последнее предопределяет сложность доменной структуры.

Энергетическая причина образования доменов заключается в следующем. В однороднополяризованном кристалле (монодоменном) связанные поверхностные заряды создали бы поле деполяризации, направленное против при отсутствии внешнего или внутреннего экранирования свободными носителями зарядов противоположного знака. В такой ситуации энергетически выгодным оказывается образование доменов, уменьшающих поле деполяризации в объеме кристалла. На рисунке 9.1.показана схема образовавшихся в пластинчатом кристалле - х доменов. При образовании доменов возникает дополнительный энергетический вклад за счет энергии - х доменных стенок. Реальная доменная структура определяется на основе компромисса между уменьшением электростатической энергии и увеличением энергии за счет доменных границ. Толщина - й доменной стенки мала и составляет несколько межатомных расстояний, а удельная энергия такой стенки составляет от до .

Рисунок 9.1. – Модель -й доменной структуры сегнетоэлектрика.

Наряду со -ми доменами, которые характерны для одноосных сегнетоэлектриков, в многоосных типа в тетрагональной фазе могут реализоваться домены с ортогональными направлениями (- е домены).

Установлено, что их образование и механическое согласование подчиняется закону двойникования, свойственному всем кристаллам: элементами двойникования становятся элементы симметрии, утраченные при фазовом переходе [ 7 ]. При ФП  в утрачиваются плоскости симметрии исходной кубической ячейки типа (101), т. е. диагональные плоскости симметрии куба, которые становятся плоскостями двойникования (плоскости двойникования связывают решетки соседних частей кристалла операцией зеркального отражения). На рисунке  9.2. показана схематично решетка тетрагонального кристалла – матрицы (центральная часть) дважды

Рисунок 9.2. – Модель -й доменной структуры в кристаллах .

отраженная в плоскостях типа  (101). Направления в соседних доменах обозначены стрелками. Эти направления должны обеспечивать нуль – зарядность -х доменных стенок. Говорят, что при переходе границы векторы доменов должны быть связаны по принципу «голова к хвосту». Угол между направлениями - х  доменов составляет , где а и с - параметры тетрагональной ячейки. В кристаллах при .

Если в исходной кубической фазе на кристалл действует электрическое поле вдоль полярной оси, то при охлаждении через точку Кюри в кристалле возникнет монодоменное состояние, вероятность образования всех других ориентаций доменов, не согласующихся с внешним полем, будет значительно ниже. Если вдоль полярной оси приложить растягивающее механическое напряжение, то оно снизит вероятность образования -х доменов. Подобные воздействия – основа процесса поляризации сегнетоэлектрика, т. е. создания поляризованного образца, обладающего пьезо - и пироэффектом, в отличие от кристалла, разбитого на домены.

В ромбической фазе кристаллов помимо -х и -х доменов, возможно образование -х и -х, а в ромбоэдрической -х и -х доменов.

9.3. Переполяризация сегнетоэлектриков

При приложении к конденсатору с сегнетоэлектриком электрического поля в нем происходит процесс поляризации – переключения поляризованности тех доменов, в которых векторы не согласуются с внешним полем Е. Отражением этого процесса является петля гистерезиса, которая получается при синусоидальном изменении внешнего поля, амплитуда которого достаточна для развития процесса переполяризации. Представим исходное состояние доменной структуры как совокупность -х доменов. Включаем внешнее поле и постепенно увеличиваем его амплитуду. На начальном этапе поле не влияет на доменную структуру, кристалл ведет себя как обычный линейный диэлектрик, поляризованность которого прямо пропорциональна  напряженности поля Е (участок ОА на рисунке 9.3.)

Рисунок 9.3. – Петля диэлектрического гистерезиса (а) и электрическая схема для наблюдения петель гистерезиса (б).

При увеличении поля домены начинают переориентацию, увеличивается объем доменов, ориентированных по полю, повышается макроскопическая поляризованность (участок АВ). Наконец, все домены ориентированы по полю, достигнуто монодоменное состояние и зависимость становится почти линейной (участок ВС). При уменьшении поля значение Р опишет участок СВД. Это означает, что большая часть переориентированных по полю доменов (но не все) устойчиво закрепляются в новом состоянии. При Е=0 остаточная поляризованность кристалла . Экстраполяция линейного участка ВС  до пересечения с осью Р дает значение спонтанной поляризованности  . При изменении направления Е на противоположное для полной деполяризации кристалла нужно приложить поле, равное коэрцитивному полю . Далее (участок ) направление меняется на противоположное, а цикл завершается за полный период изменения внешнего поля Е. Полученная петля гистерезиса является критерием наличия сегнетоэлектрического состояния в кристалле. Петлю диэлектрического гистерезиса можно наблюдать на экране осциллографа с помощью схемы, показанной на рисунке 9.3, б. Обычно используется питание схемы от источника переменной частоты (50 Гц). Линейный эталонный конденсатор по емкости много больше, чем емкость исследуемого конденсатора . Поэтому сигнал на вертикальных пластинах будет отражать временную зависимость , а на горизонтальных пластинах - зависимость на  исследуемом конденсаторе.