Файл 37. Сегнетоэлектричество в полярных диэлектриках (стр. 4 )

Как правило, широкие вариации как состава компонентов, так и их концентраций, приводят к образованию непрерывных твердых растворов. Ограничения растворимости, обычно, связаны либо с резкими различиями структур компонентов, либо с особыми условиями получения твердых растворов. В большинстве твердых растворов на фазовых диаграммах выделяются области концентрационных переходов между разными сегнетоэлетрическими фазами. Составы из этих областей, называемых областями морфотропных переходов, обладают экстремальными физическими свойствами. Первые исследования твердого раствора сегнетоэлектрика и антисегнетоэлектрика со структурой типа перовскита ) обнаружили такой эффект в составах с и тем положили начало интенсивным исследованиям данной бинарной системы ЦТС, а, впоследствии, и применению сегнетоматериалов, созданных на ее основе [7, 11 ]. В дальнейшем была доказана перспективность модифицирования бинарной системы и использование многокомпонентных твердых растворов для существенного расширения числа новых сегнетоэлектрических материалов различного назначения. На основе ЦТС получено множество систем твердых растворов со всевозможными замещениями и добавками. Модификацией твердых растворов достигали изменения физических свойств в требуемом направлении, например, снижения механических и диэлектрических потерь, подавления эффектов старения (ухудшение свойств со временем), управления проводимостью и диэлектрической проницаемостью, пьезохарактеристиками т. д.

В качестве основных сегнетоэлектрических материалов, созданных на базе ЦТС, можно выделить: пьезоэлектрические и пироэлектрические, электрооптические, релаксорные [ 11 ].

Получение монокристаллов твердых растворов оказалось очень трудной и дорогостоящей задачей, поэтому основное применение нашли керамические материалы, из которых относительно легко можно изготовить элементы требуемой формы.

9.6. Сегнетопьезокерамика

Сегнетокерамика – это твердое тело, состоящее из произвольным образом ориентированных сегнетоэлектрических кристаллитов, жестко связанных с окружением посредством межкристаллитной прослойки. Схематическое изображение некоторых деталей строения керамики типа показано на рисунке 9.4. Здесь показаны кристаллиты, разбитые на домены и межкристаллитные прослойки, ширина которых сильно преувеличена. Стрелками указаны возможные направления вектора в доменах. Обычные размеры кристаллитов сегнетокерамики лежат в пределах от 3 до 30 мкм, а ширина межкристаллитных прослоек может меняться

Рисунок 9.4. – Детали строения керамики типа : 1 – векторы , 2 – кристаллит, 3 – прослойка, 4 – доменная стенка.

от нескольких нанометров до долей микрона. Размеры доменов зависят от состава и условий получения керамики. Например, для ЦТС детали доменной структуры имеют характерные размеры порядка 0,1 мкм, что определяется с помощью металлографического оптического и электронного микроскопов.

В полном цикле приготовления сегнетопьезоэлемента можно выделить следующие стадии: синтез, спекание, механическая обработка, нанесение электродов, поляризация. Свойства элемента зависят от внутренних и внешних факторов, являющихся ведущими на каждой стадии [11], очевидно, их нужно знать и контролировать. Остановимся подробнее на заключительном этапе, а именно, поляризации сегнетокерамики. В исходном состоянии сегнетокерамика является изотропной непьезоэлектрической текстурой группы симметрии , однако, отличается высокими значениями диэлектрической проницаемости и ярко выраженной аномалией    в точке Кюри. В парафазе, также как и в кристалле, в образцах сегнетокерамики выполняется закон Кюри – Вейсса. Для того, чтобы образец стал пьезоэлектриком, его надо наполяризовать. При поляризации керамики домены получают преимущественную ориентацию, их полярные оси располагаются вдоль тех из допустимых направлений вектора в кристаллитах, которые наиболее близки к направлению поляризующего поля. В итоге, поляризованная керамика, например, , оказывается полярной пьезоэлектрической текстурой с симметрией . Связь между величиной спонтанной поляризованности монокристалла и остаточной поляризованностью керамического образца при всех возможных поворотах вектора доменов кристаллитов в сильном поле зависит от симметрии сегнетоэлектрика, т. е. определяется числом возможных направлений вектора в данной фазе.

Для тетрагональной фазы, где таких направлений 6, максимальная остаточная поляризованность , а для ромбоэдрической, где 8 разрешенных направлений , соответственно. Отметим, что столь высокие значения поляризованности, практически, не достигаются, можно получить не  более 50% указанных выше величин [7,11].

Основной причиной этого считается наличие в керамике разнообразных дефектов, сильных механических полей, возникающих между кристаллитами при поляризации из-за несогласованности спонтанных деформаций кристаллитов, неполным экранированием поляризационных зарядов на межкристаллитных границах. Все эти и подобные эффекты не поддаются аналитическим расчетам и способствуют так называемому обратному переключению, т. е. частичному восстановлению доменной структуры кристаллитов.

Выбор оптимального режима поляризации определяется необходимостью максимальной и стабильной остаточной поляризованности при минимальных внешних воздействиях, к которым относится поляризующее поле, температура и время поляризации. Электрическое поле должно способствовать достижению максимальных значений , температура облегчает процесс движения доменных стенок, но может привести к росту проводимости и, как следствие, к электрическому пробою образца, а время выдержки должно обеспечить стабилизацию поляризованного состояния за счет перемещения экранирующих зарядов и дислокаций, снижающих локальные механические напряжения.

К сожалению, процесс создания поляризованного состояния  в керамических образцах теоретически не разработан и параметры оптимального режима поляризации, обычно, определяются экспериментально не только для каждого состава, но и для различных партий образцов одного состава.