Сегнетоэлектрик

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Поляризация линейного диэлектрика
Параэлектрическая поляризация
Сегнетоэлектрическая поляризация

Сегнетоэле́ктрик (в зарубежной литературе распространено название «ферроэлектрик») — материал, обладающий спонтанной поляризацией, ориентацию которой можно изменить посредством внешнего электрического поля[1]. Такие вещества обладают сегнетоэлектрическим гистерезисом, когда поляризация материала зависит неоднозначно от внешнего электрического поля и определяется предысторией поляризации.

Сегнетоэлектрические фазовые переходы часто характеризуются либо деформационным переходом, (например, в титанате бария BaTiO3), либо переходом типа «порядок-беспорядок» (например, в Нитрите натрия NaNO2), хотя часто фазовые переходы в сегнетоэлектриках демонстрируют элементы обоих типов поведения.

В титанате бария — типичном сегнетоэлектрике — происходит переход со смещением (изменение положения атома в элементарной ячейке без деформации кристалла), который можно понять с точки зрения поляризационной катастрофы, при которой, если ион немного смещается из состояния равновесия, сила локальных электрических полей, создаваемых ионами в кристалле увеличивается быстрее, чем упруго-восстанавливающие равновесие силы. Это приводит к асимметричному смещению положений равновесных ионов и, следовательно, к постоянному дипольному моменту элементарной ячейки. Ионное смещение в титанате бария - это положение иона титана в кислородной октаэдрической ячейке кристаллической решетки.

В титанате свинца, другом важном сегнетоэлектрическом материале при схожей на титанатом бария кристаллической структуре, механизм возникновения сегнетоэлектричества имеет более сложную природу, а взаимодействия между ионами свинца и кислорода также играют важную роль.

В сегнетоэлектрике с переходом «порядок-беспорядок» для каждой элементарной ячейки существует дипольный момент, но при высоких температурах они направлены хаотически. При понижении температуры ниже точки фазового перехода диполи упорядочиваются, и все они выстраиваются в одном направлении внутри сегнетоэлектрического домена.

Важным сегнетоэлектрическим материалом для приложений является цирконат-титанат свинца (ЦТС), который представляет собой твёрдый раствор сегнетоэлектрического титаната свинца и антисегнетоэлектрического цирконата свинца. Для разных целей используются разные составы: для ячеек сегнетоэлектрической памяти предпочтительным является ЦТС, более близкий по составу к титанату свинца, тогда как в пьезоэлектрических применениях используются пьезоэлектрические коэффициенты с особенностями, связанные с морфотропной фазовой границей, которая близка к составу 50/50.

Для сегнетоэлектрических кристаллов часто наблюдается несколько температур фазовых перехода и гистерезис доменной структуры, как и для ферромагнитных кристаллов. Природа фазового перехода в некоторых сегнетоэлектрических материалах до сих пор не изучена.

В 1974 году Р. Б. Мейер использовал теорию симметрии и предсказал сегнетоэлектрические свойства жидких кристаллов[2], это свойство было подтверждено несколькими наблюдениями за поведением, связанным с сегнетоэлектричеством в хиральных наклонных смектических жидкокристаллических фазах.

Эта технология позволила создавать мониторы с плоским экраном. С 1994 по 1999 год массовое производство осуществляла компания Canon.

Сегнетоэлектрические жидкие кристаллы также используют в производстве отражающих проекторов LCoS.

В 2010 году Дэвид Филд обнаружил, что плёнки обычных химических веществ, таких как закись азота или пропан, также проявляют сегнетоэлектрические свойства. Этот новый класс сегнетоэлектрических материалов демонстрирует «спонтанную поляризацию», а также влияет на электрическую природу пыли в межзвёздной среде.

Среди других используемых сегнетоэлектрических материалов можно выделить триглицинсульфат, поливинилиденфторид (ПВДФ) и танталат лития[3].

Интерес также представляют материалы, которые сочетают одновременно сегнетоэлектрические и металлические свойства при комнатной температуре[4]. Согласно исследованию, опубликованному в 2018 году в Nature Communications[5], учёные смогли создать двумерную плёнку такого материала, который был одновременно «сегнетоэлектрическим» (имел полярную кристаллическую структуру) и проводил электричество.

Примечания[править | править код]

  1. Головнин и др., 2016, p. 20.
  2. Clark, Noel A. (June 1980). "Submicrosecond bistable electro‐optic switching in liquid crystals". Applied Physics Letters. 36 (11): 899—901. Bibcode:1980ApPhL..36..899C. doi:10.1063/1.91359.
  3. Aggarwal. Pyroelectric Materials for Uncooled Infrared Detectors: Processing, Properties, and Applications. NASA (март 2010). Дата обращения: 26 июля 2013. Архивировано 11 января 2021 года.
  4. Rutgers Physicists Create New Class of 2D Artificial Materials | Rutgers University. Дата обращения: 8 января 2021. Архивировано 10 января 2021 года.
  5. Cao, Yanwei (18 April 2018). "Artificial two-dimensional polar metal at room temperature". Nature Communications. 9 (1): 1547. arXiv:1804.05487. Bibcode:2018NatCo...9.1547C. doi:10.1038/s41467-018-03964-9. PMID 29670098.

Литература[править | править код]

  • Головнин В. А., Каплунов И. А., Малышкина О. В., Педько Б. Б., Мовчикова А. А. Физические основы, методы исследования и практическое применение пьезоматериалов. — М.: Техносфера, 2016. — 272 с. — ISBN 978-5-94836-352-3.