Сегнетоэлектричество

Сегнетоэлектричество — физическое явление, наблюдающееся в некоторых кристаллах, называемых сегнетоэлектриками, в определённом интервале температур и заключающееся в возникновении спонтанной поляризации кристалла даже в отсутствие внешнего электрического поля. Сегнетоэлектрики отличаются от пироэлектриков тем, что при определённой температуре (так называемой диэлектрической точке Кюри) их кристаллическая модификация меняется и спонтанная поляризация пропадает.

Кристаллическая модификация, в которой наблюдается спонтанная поляризация, называется полярной фазой, а в которой не наблюдается — неполярной фазой.

Явление сегнетоэлектричества аналогично явлению ферромагнетизма и в англоязычной литературе носит название ферроэлектричества (англ. ferroelectricity).

Для феноменологического описания фазовых переходов в сегнетоэлектриках используется теория Ландау.

Поляризация

Зависимость поляризации P от напряжённости электрического поля Е в ВЧ диэлектрике.

Зависимость поляризации P от напряжённости электрического поля Е в параэлектрике.

Зависимость поляризации P от напряжённости электрического поля Е в сегнетоэлектрике.

Температура, при которой исчезает спонтанная поляризация (то есть собственный дипольный момент) и происходит перестройка кристаллической структуры, носит название температуры (точки) Кюри (ещё одна аналогия с ферромагнетиками). Переход через точку Кюри означает фазовый переход, а соответствующие фазы обозначаются как полярная (сегнетоэлектрик) и неполярная (параэлектрик^[1] — нелинейный диэлектрик, не обладающий спонтанной поляризацией, относительная диэлектрическая проницаемость которого уменьшается с ростом температуры).

Спонтанная поляризация в сегнетоэлектриках в точке Кюри меняется либо непрерывно (переход второго рода, сегнетова соль), либо скачком (переход первого рода, титанат бария). Другие характеристики сегнетоэлектриков, такие как относительная диэлектрическая проницаемость, могут достигать в точке Кюри очень больших значений (10⁴ и выше).

Вблизи точки Кюри в неполярной фазе выполняется закон Кюри — Вейсса, связывающий поляризуемость α и температуру T сегнетоэлектрика^[2]:

$\alpha = \frac{C}{T - T_0}$

где $C$ и $T_0$ — константы, определяемые видом сегнетоэлектрика. Величина $T_0$ носит название температуры Кюри — Вейсса и очень близка к значению температуры Кюри. Если точек Кюри две, то вблизи каждой из них в неполярной фазе выполняется тот же закон. Вблизи верхней — в прежней форме, а вблизи нижней — в форме^[2]:

$\alpha = \frac{C'}{T_0' - T}$

Механизм приобретения дипольного момента в полярной фазе (фазе сегнетоэлектрика) может также различаться: возможен вариант как со смещением ионов (титанат бария; соответствующий фазовый переход называется переходом типа смещения), так и с упорядочиванием ориентации уже существующих в веществе диполей (дигидрофосфат калия, триглицинсульфат).

Применение

Отличительными чертами сегнетоэлектриков являются также высокие значения диэлектрической проницаемости, наличие пьезоэлектрического и пироэлектрического эффектов, зависимость показателя преломления от величины приложенного электрического поля. Эти свойства определяют область применения сегнетоэлектриков — в конденсаторах, пьезоэлектрических устройствах, электрооптических системах, нелинейной оптике, различных температурных датчиках.

Материалы

Типичный представитель сегнетоэлектриков — сегнетова соль, двойная соль винной кислоты KNaC₄H₄O₆·4Н₂О; именно её название лежит в основе термина «сегнетоэлектрик». К сегнетоэлектрикам с более простой структурой относят целый ряд кристаллов со структурой перовскита, например, титанат бария BaTiO₃, титанат свинца PbTiO₃, а также их твердые растворы (цирконат-титанат свинца), ниобат лития LiNbO₃.

Другие физические свойства

Многие сегнетоэлектрики являются сегнетоэластиками^[3] — веществами со спонтанной деформацией кристаллической решётки, возникающей в определенной области температур.

См. также

• Антисегнетоэлектрик
• Пьезокерамика
• Мультиферроики
• Сегнетова соль

Примечания

1. ↑ ГОСТ 21515-76
2. ↑ ^{1 2} Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Наука, 1977. — Т. III. Электричество. — С. 166. — 688 с.
3. ↑ Сегнетоэластики — новый класс кристаллических твердых тел — Гриднев С.А

Литература

• Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Наука, 1977. — Т. III. Электричество. — С. 160—173. — 688 с.
• М. Лайнс, А. Гласс. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы. М.: Мир, 1981.
• Б. А. Струков, А. П. Леванюк. Физические основы сегнетоэлектрических явлений в кристаллах. М.: Наука, 1995.
• Г. А. Смоленский «Новые сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики»

Ссылки

• Сегнетоэлектричество
• Фазовый переход в сегнетоэлектриках
• Сегнетоэлектрики по химической энциклопедии