Поляризация сегнетоэлектриков

В электрическом поле у сегнетоэлектрика появляется поляризация, состоящая из двух компонентов P = P_сп + P_см, где Р_сп – проекция вектора спонтанной поляризации на направление поля; Р_см – поляризация смещения. Диэлектрическая проницаемость представляется в виде

В сегнетоэлектриках возникает большое внутреннее поле, природу которого легко понять на примере титаната бария BaTiO3 образуют простую кубическую решетку с ребром a = 4,01A. В центре её граней размещаются ионы O^{2 -}, а в центре куба – Ti^{4 +} (рис.2).

Аналогичное строение имеет кристалл пировскита – CaTiO3 – с параметром a = 3,8 A. Если предположить, что в CaTiO3 ионы O^2- и Ti⁴⁺ соприкасаются, то в решетке BaTiO3 между ними имеется односторонний зазор, равный (4 - 3,8) / 2 = 0,1A. В результате такой рыхлости, ион Ti⁴⁺ может свободно смещаться в октаэдрической пустоте. И он действительно прилипает к одному или нескольким ионам кислорода в октаэдре. Возникает нарушение симметрии решетки кристалла и появляется мощное внутреннее поле. Это поле действует на соседние области кристалла, поляризуя их, а они в свою очередь, на другие и так в пределах домена. Появляется, ориентированная в определенном направлении, спонтанная поляризация. Появление спонтанной поляризации может происходить не только при смещении ионов, но также за счет частичного упорядочения в расположении отдельных ионов или молекулярных групп.
Сегнетоэлектрики относятся к нелинейным диэлектрикам, для которых характерны нелинейная зависимость поляризации Р от напряженности электрического поля Е (рис.3).Нелинейная зависимость поляризации от поля приводит в переменных электрических полях к диэлектрическому гистерезису, т.е. несовпадению по фазе поляризации Р и электрического поля Е. Для монокристаллического однодоменного сегнетоэлектрика петля гистерезиса имеет прямоугольную форму (рис.4,а).

16.Поляризация сегнетоэлектриков (продолжение) Если приложить внешнее поле, равное Ec и направленное по вектору спонтанной поляризации то вектор спонтанной поляризации скачком изменит свое направление на обратное.

 

Поле Ec называется коэрцитивным полем. При дальнейшем увеличении внешнего поля, приложенного к диэлектрику, поляризация изменяется слабо. При уменьшении напряженности электрического поля до нуля, поляризация почти не изменится. Затем, при изменении знака напряженности поля и возрастании поля до величины Ec, спонтанная поляризация не изменяется, но при поле равном Ec скачком изменяет свое направление. В многодоменном кристалле под влиянием внешнего поля происходит перестройка доменной структуры, при этом в некотором объеме кристалла спонтанная поляризация меняет свое направление.

Процесс переориентации спонтанной поляризации осуществляется за счет движения доменных стенок /изменение границ доменов/, а также за счет образования новых доменов с направлением спонтанной поляризации, близким к направлению электрического поля. В слабых полях поляризованность линейно зависит от поля (рис.4, б). На этом участке преобладают процессы обратимого смещения доменных стенок, и диэлектрическая проницаемость от напряженности поля зависит слабо. При увеличении поля начинается образование новых доменов и ориентация их по направлению поля. Поляризованность при этом возрастает быстрее, чем по линейному закону, и соответственно диэлектрическая проницаемость резко возрастает. При некоторой напряженности поля кристалл становится однодоменным, т.е. все домены ориентированы только в сторону поля и достигается, так называемое, насыщение. В области насыщения дальнейшая ориентация доменов прекращается, и диэлектрическая проницаемость соответственно падает. Если после достижения насыщения уменьшать напряженность поля, то поляризованность кристалла будет изменяться не по начальной кривой ОАВ, а по кривой CBD (рис.4, б), и при поле равном нули кристалл остается поляризованньм.

Величина поляризованности, определяемая отрезком OD, называется остаточной поляризованностью. Экстраполяция участка СВ на ось координат отсекает отрезок OЕ, приближенно равный спонтанной поляризованности. Отрезок OL равен полной поляризованности сегнетоэлектрика, состоящей из спонтанной и индуцированной поляризованности. Если изменить направление поля, то поляризованность будет уменьшаться, изменит знак и при определенном поле опять достигнет насыщения.