Динамические неоднородности. Активные диэлектрики - это диэлектрические материалы, в которых могут быть возбуждены

Активные диэлектрики - это диэлектрические материалы, в которых могут быть возбуждены динамические неоднородности и которые предназначены для процессов генерации, усиления, преобразования и хранения информационных сигналов. Активные диэлектрики существенно отличаются от пассивных, которые применяются в основном в качестве электроизоляционных материалов.

В активных диэлектриках в основном используются динамические неоднородности различной физической природы: домены, квазичастицы, неоднородности фоторефрактивной и электрооптической природы.

Особый интерес представляют сегнетоэлектрические домены. Сегнетоэлектрики - это кристаллические диэлектрики, обладающие в определённом интервале температур спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, которая существенно изменяется под влиянием внешних воздействий. К числу наиболее исследованных и используемых на практике сегнетоэлектриков относятся титанат бария, сегнетова соль (давшая название всей группе кристаллов), триглицинсульфат, дигидрофосфат калия и др. Обычно сегнетоэлектрики не являются однородно поляризованными, а состоят из доменов (рис. 3.1, а) - областей с различными направлениями спонтанной поляризации, так что при отсутствии внешних воздействий суммарный электрический дипольный момент Р_s образца практически равен нулю. Наличие поляризации в отсутствие внешнего электрического поля (спонтанной поляризации) является отличительной особенностью сегнетоэлектриков.

Рис. 3.1. Слоистая доменная структура и распределение в ней полей (а), структура сегнетоэлектрической доменной стенки (б), петля гистерезиса переполяризации домена (в)

В соседних доменах направление вектора спонтанной поляризации различно, а величина – одинакова. Поперечные размеры доменов обычно порядка 10^-5 – 10^-3 см. Домены разделены переходной областью или доменной границей (рис. 3.1, б). Переходная область между доменами (доменная граница, или стенка) имеет ширину около 10^-7 см (иногда до 10^-5 см). Доменная конфигурация зависит от размеров и формы образца, наличия неоднородностей и дефектов в кристалле и т.п., а также от симметрии кристалла, которая определяет число возможных направлений спонтанной поляризации. Например, у сегнетовой соли – два возможных антипараллельных направления, у титаната бария BaTiO₃ (тетрагональной модификации) – шесть направлений (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Схематическое изображение доменов

и их поляризации в тетрагональной модификации BaTiO₃; знаки סּ и Ä показывают, что поляризация перпендикулярна плоскости, на которой знак изображен, и направлена так, как показывают стрелки на плоскостях

Поляризация Р_s зависит от напряженности электрического поля Е нелинейным образом. При циклическом изменении Е от + Е_к до – Е_к вектор поляризации меняется от + P_s до –P_s, где Е_к — коэрцитивная сила. Функция P_s= f(E_к) имеет вид петли гистерезиса (рис. 3.1, в). Петля гистерезиса является отличительной чертой динамических неоднородностей сегнетоэлектрической природы. Время электронной переполяризации составляет около 10^-15 с.

Спонтанной поляризацией обладают и пироэлектрики, но направление вектора P_s в них строго фиксировано и поэтому не обнаружено динамических неоднородностей типа доменов. Наличие спонтанной поляризации, т. е. электрического дипольного момента в отсутствии электрического поля, — отличительная особенность пироэлектриков.

В сегнетоэлектриках – сегнетоэластиках наблюдается спонтанная локальная деформация в результате изменения внешних условий. Спонтанная деформация сопровождается изменением знака при воздействии электрического поля.

При нагревании сернетоэлектриков спонтанная поляризация, как правило, исчезает при определённой температуре Т_с, называемой точкой Кюри, т. е. происходит фазовый переход сегнетоэлектриков из состояния со спонтанной поляризацией (полярная фаза) в состояние, в котором спонтанная поляризация отсутствует (неполярная фаза). Фазовый переход в сегнетоэлектриках состоит в перестройке структуры кристалла. В разных сегнетоэлектриках Т_с сильно различаются.

Величина спонтанной поляризации P_s обычно сильно изменяется с температурой вблизи фазового перехода. Она исчезает в самой точке Кюри Т_с либо скачком (фазовый переход 1-го рода, например в титанате бария), либо плавно уменьшаясь (фазовый переход 2-го рода, например в сегнетовой соли).

В сегнетоэлектриках в области фотостимулированных фазовых переходов типа «порядок—беспорядок», образуются макроскопические квазичастицы – флуктоны, которые можно рассматривать в качестве динамических неоднородностей. Флуктоны возбуждаются в гетерофазной системе и представляют собой флуктуации концентрации одной из компонент системы, создающие для частицы потенциальную яму, перемещающуюся вместе с частицей. Флуктон – квазичастица, представляющая собой возбуждение в гетерофазной системе (например, в сплавах), связанное с образованием вокруг заряженной частицы, например электрона, флуктуации концентраций одной из компонент системы, которая создаёт для заряженной частицы потенциальную яму. В результате попадания заряженной частицы в потенциальную яму флуктуация становится устойчивой и может перемещаться вместе с заряженной частицей. Если гетерофазная среда – смесь разных фазовых состояний одного и того же веществава, то флуктон называется фазоном.

Эксито́н(лат. excito — «возбуждаю») - водородоподобная квазичастица, представляющая собой электронное возбуждение в диэлектрике или полупроводнике, мигрирующее по кристаллу и не связанное с переносом электрического заряда и массы.

Хотя экситон состоит из электрона и дырки, его следует считать самостоятельной элементарной (не сводимой) частицей в случаях, когда энергия взаимодействия электрона и дырки имеет тот же порядок, что и энергия их движения, а энергия взаимодействия между двумя экситонами мала по сравнению с энергией каждого из них. Экситон можно считать элементарной квазичастицей в тех явлениях, в которых он выступает как целое образование, не подвергающееся воздействиям, способным его разрушить.

Экситон может быть представлен в виде связанного состояния электрона проводимости и дырки, расположенных или в одном узле кристаллической решётки (экситон Френкеля, a* < a₀, a* - радиус экситона, a₀ — период решётки), или на расстояниях, значительно больше междуатомных (экситон Ванье — Мотта, a* >> a₀). В полупроводниках, за счёт высокой диэлектрической проницаемости, существуют только экситоны Ванье - Мотта. Экситоны Френкеля применимы, прежде всего, к молекулярным кристаллам.

При освещении кристалла могут возникнуть поляритоны, представляющие собой квантовые квазичастицы, возникающие при взаимодействии экситона и оптического фонона с фотоном. Полярито́н (англ. polariton) – составная квазичастица, возникающая при взаимодействии фотонов и элементарных возбуждений среды — оптическими фононами, экситонами, плазмонами, магнонами и так далее (которые называются соответственно фононными поляритонами, экситонными поляритонами (светоэкситонами), плазмон-поляритонами, магнонными поляритонами и так далее). Эти экзотические квазичастицы способны переносить информационный сигнал и могут быть использованы в устройствах функциональной электроники.

Континуальные среды

В качестве континуальных сред в функциональной диэлектрической электронике используются, как правило, активные диэлектрики. Под активными диэлектриками будем понимать диэлектрические материалы, в которых могут быть возбуждены динамические неоднородности и которые предназначены для процессов генерации, усиления, преобразования и хранения информационных сигналов.

Активные диэлектрики существенно отличаются от пассивных, которые применяются в основном в качестве электроизоляционных материалов.

Свойства активных диэлектриков зависят от воздействия на них определенных физических полей; механических, тепловых, электрических, магнитных. Результатом взаимодей­ствия структуры диэлектрика и полей является генерация динамических неоднородностей определенной физической природы. Активные диэлектрики, используемые в качестве континуальных сред в приборах и устройствах функциональной диэлектрической электроники, обладают широким набором свойств, определяемых типом воздействующих физических полей: механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических. В результате анализа континуальных сред удалось систематизировать свойства диэлектриков в зависимости от воздействующих на них физических полей. На рис. 3.3 схематично представлены информационные поля, отражающие различные физические взаимодействия в активных диэлектриках. В соответствии с принятой системой классификации пронумеруем различные свойства активных диэлектриков в зависимости от типов информационных полей.

Область, ограниченная координатами 1.1 – 2,1, 1.3 – 2.1, 1.1 – 2.3, 1.3 – 2.3 представляет собой термоупругие свойства диэлектриков.

Рис. 3.3. Системный анализ свойств активных диэлектриков

Пьезоэлектрики располагаются в области, ограниченной координатами 1.1 – 3.1, 1.3 – 3.1, 1.1 – 3.5, 1.3 – 3.5. Их основным свойством является наличие поляризации, направление и уровень которой могут быть изменены при внешних воздействиях. Различают прямой пьезоэлектрический эффект, заключающийся в поляризованности Р диэлектрика в зависимости от механического напряжении s, описываемый соотношением

Р = ds, (3.2)

где d - пьезомодуль.

В обратном пьезоэлектрическом эффекте деформация х линейно зависит от поляризованности Р в соответствии с соотношением

х = gP, (3.3)

где g = d / [e₀ (e - 1)];здесь e - диэлектрическая проницаемость диэлектрика, e₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума.

Заметим, что пьезоэлектрические материалы анизотропны. Их пьезоэлектрические, диэлектрические и упругие свойства описываются набором компонент пьезомодулей d_ij, упругих констант S_ij, диэлектрических проницаемостей e_ij по разным направлениям.

Каждая ячейка описываемой информационной области обладает рядом замечательных свойств и определяет тип пьезоэлектриков.

Сегнетоэластики занимают ячейку с координатами 1.2 - 3.2 и описываются зависимостью Р = Р(c). Пьезополупроводники располагаются в ячейках с координатами 1.2 - 3.5 и, как правило, представляют собой пленки CdS, ZnS, ZnO с низким значением e (менее 10) и с выраженной зависимостью r = r (c). Пироэлектрики представляют собой класс активных диэлектриков, в которых происходит поляризация при однородном по объему изменению температуры. Этот класс располагается в информационной области с координатами 2.1 - 3.1; 2.3 - 3.1; 2.1 - 3.5; 2.3 -3.5. Спонтанная или остаточная поляризация Р зависит от температуры Р = Р(Т), и для количественного описания вводят пирокоэффициент р, определяемый выражением р = dP/dТ

Все пироэлектрики обладают обратным электрокалорическим эффектом, потому что их температура изменяется при поляризации.

Особый интерес для функциональной электроники представляют собой сегнетоэлектрические континуальные среды, имеющие доменную структуру. Каждый домен обладает спонтанной поляризацией, уровень и направление которых могут быть изменены внешними полями, например электрическим. В отличие от пироэлектриков, у которых направление вектора поляризации Р строго фиксировано, у сегнетозлектриков суммарная поляризация зависит от поляризации отдельных доменов. На рис. 3.3 сегнетоэлектрики занимают область с координатами 3.1 - 3.2.

В зависимости от вида поляризации различают ионные, дипольные и несобственные сегнетоэлектрики. В ионных сегнетоэлектриках ячейка имеет вид куба типа АВО₃ по вер­шинам которого расположены ионы типа А (Ва²⁺, Рb²⁺, К²⁺...), в центре ионы типа B (Ti⁴⁺, Nb⁴⁺), а в центрах граней ионы кислорода О^2-. Если ионы типа В находятся в центре эле­ментарной ячейки (рис. 3.4, а) то центры тяжести положительных и отрицательных ионов совпадают и общий дипольный момент равен нулю. Смещение иона B (Ti⁴⁺, например) из центра кислородного октаэдра приводит к разбалансировке и возникновению дипольного момента Р, направленного в сторону смещения (рис. 3.4, б).

Спонтанная поляризация в сегнетоэлектриках такого типа является следствием упорядоченного смещения ионов и представляет собой фазовый переход типа смещения.

К ионным сегнетоэлектрикам относятся структуры типа перовскита (CaTiO₃), титанат бария (BaTiО₃), титанат свинца (PbTiО₃), ниобат калия (KNbO₃) и т. п.

В элементарной ячейке дипольных сегнетоэлектриков содержатся атомы с двумя положениями равновесия, ее электрическая поляризация определяется взаимным положением атомов. На рис. 3.4, в представлено взаимное расположение ионов при положительном и отрицательном направлениях дипольного момента (рис. 3.4, г). Фазовый переход в дипольных сегнетоэлектриках, происходящий в точке Кюри, называется переходом типа «порядок - беспорядок».

Рис. 3.4. Элементарные ячейки сегнетоэлектриков: ионный тип в неполяризованном (а) и поляризованном (б) состояниях;

дипольный тип при положительном (в)

и отрицательном (г) дипольных моментах

К дипольным сегнетоэлектрикам относятся сегнетова соль (NaKC₄H₄0₆ ∙ 4H₂О) триглицинсульфат ТГС (NH₂CH₂CООH)₃ ∙ H₂SО₄, нитрид натрия (NaNО₂) и т. п.

К особой группе относятся несобственные сегнетоэлектрики, в которых спонтанная поляризация обусловлена, например, деформацией кристаллической решетки при фазовом переходе. К этому типу относятся молибдат гадолиния [Gd₂(MoO₄)₃], лангбейниты, [Tl₂Cd₂(SO₄)]₃ – талий кадмиевый лангбейнит, фторбериллат аммония [(NH₄)₂BeF] и т. п.

Кристаллы, в соседних ячейках которых одноименные ионы смещены в противоположных направлениях, называются антисегнетоэлектриками. Спонтанная поляризованность антисегнетоэлектриков равна нулю. При наложении сильного электрического поля антисегнетоэлектрик может переходить в сегнетоэлектрик с параллельной ориентацией диполей. Отличительной особенностью антисегнетоэлектриков является наличие двойных петель диэлектрического гистерезиса.

К антисегнетоэлектрикам относятся кристаллы цирконата свинца (PbZrO₃), ниобата натрия (NaNbO₃), гафната свинца (PbHfO₃), дигидрофосфата аммония ADP (NH₄H₂PO₄).

Сегнетоэлектрики обладают довольно большим удельным сопротивлением (r > 10⁹ Ом м). Однако существуют такие сегнетоэлектрики, у которых значение r соответствует полупроводникам. Можно искусственно снизить значение r, например, ионным легированием и получить новый тип сегнетоэлектрика - сегнетополупроводник. К ним относятся вещества феррит висмута BiFeO₃, титанат свинца PbTiО₃ и др. Эти вещества занимают ячейку с координатами 3.2 - 3.5 (рис. 3.3).

Весьма перспективными являются полимерные сегнетоэлектрические пленки, нанесенные на поверхность кремния. Пленки наносятся методом литья из раствора винилиденфторида CH₂-CF₂ и трифторэтилена CH₂-F₂-CHF-CF₂ в ацетоне с последующим осаждением при температуре + (20 – 22) °С. Толщина пленок лежит в пределах от 6 до 20 мкм.

На пересечении информационных полей электрических и магнитных свойств диэлектриков (см. рис. 3.3) располагаются сегнетомагнитные кристаллы. Отличительной особенностью структуры сегнетоэлектриков является сосуществующие магнитная и электрическая взаимопроникающие решетки. Они образованы частицами, несущими электрические и магнитные дипольные моменты.

В диэлектриках этого класса обнаружен магнитоэлектрический эффект. Его сущность состоит в том, что в веществах определенной симметрии при наложении электрического поля появляется намагниченность, пропорциональная полю, и при приложении магнитного поля появляется электрическая составляющая, пропорциональная полю.

Сегнетомагнетики перспективны для устройств функциональной электроники второго поколения, где возможна интеграция эффектов и явлений за счет присутствия и среде спонтанной поляризации Р_х и спонтанной намагниченности М_s. К сегнетомагнетикам, прежде всего, относятся перовскитные соединения типа ферровольфрамат [Pb(Fe_2/3Nb_1/3)O₃] и феррониобат свинца [Pb(Fe_1/2Nb_1/2)O₃], а также феррит висмута (BiFeO₃), ренийсодержащие перовскиты (Sr₂CoReO₆, SrNiReO₆), сегнетомагнитные борацады (Mg₃B₇O₃Cl) и т. п.

Континуальные среды, соответствующие ячейкам информационного поля с координатами 1.1 - 4.1, 1.3 - 4.1, 1.3 - 4.3, 1.1 - 4.3 (см. рис. 3.3), обладают магнитострикциоными свойствами, а расположенные в информационном поле 2.1 - 4.1, 2.3 - 4.1, 2.1 - 4.3, 1.1 - 4.3 - магнитокалорическими.

Менее изучены свойства континуальных сред на пересечении оптических взаимодействий с механическими, тепловыми, электрическими и магнитными.

В ячейках с координатами 1.2 - 5.1 и 1.2 - 5.2 среды обладают упругооптическим эффектом, с координатами 2.1 - 5.1 и 2.1 - 5.2 - термооптическим эффектом (см. рис. 3.3).

Свойства сред, расположенных в ячейке 3.1 - 5.1, описываются эффектом Поккельса - п = f(E) и эффектом Керра - п = f(Е²). Среды, обладающие фоторефрактивным эффектом Dn = f(I) расположены в ячейках с координатами 5.1 - 5,3. Проведенный системный анализ диэлектрических континуальных сред позволяет более эффективно осуществлять их выбор для перспективных процессоров и запоминающих устройств.

Поиск по сайту: