Б. А. Струков
Московский государственный университет
им. М.В. Ломоносова |
Содержание |
Хорошо известно, что в веществе, помещенном в электрическое поле, происходят изменения, связанные с кулоновским взаимодействием положительно и отрицательно заряженных частиц с этим полем. Итогом этого взаимодействия является электрическая поляризация вещества - возникновение электрического дипольного момента, пропорционального электрическому полю (в диэлектриках), либо устранение поля внутри вещества за счет перемещения к поверхностям образца свободных электрических зарядов (полупроводники, проводники, ионные проводники).
Механизм электрической поляризации диэлектриков определяется разделением "центров тяжести" положительных и отрицательных зарядов, связанных между собой силами, имеющими различную природу и допускающими лишь их перемещение на конечные расстояния  . Для кристалла, имеющего в элементарной ячейке i различных атомов, возникающий дипольный момент
вызывает появление электрической поляризации  , где  - объем элементарной ячейки, - смещение i-го иона. Возникновение электрической поляризации приводит к появлению связанного электрического заряда на поверхностях кристалла, ослабляющего электрическое поле внутри диэлектрика; при этом способность вещества к поляризации характеризуется диэлектрической восприимчивостью  , а ослабление электрического поля - его электрической проницаемостью  (Eo - напряженность электрического поля в отсутствие диэлектрика, Е - напряженность электрического поля в диэлектрике, "ослабленного" поверхностными зарядами); обе величины связаны простым соотношением  и являются важнейшими характеристиками диэлектрических материалов, обычно слабо зависящими от давления и температуры. Установление этих зависимостей, а также самих абсолютных значений  для веществ различного состава и строения - одна из важнейших проблем физики диэлектриков. В настоящее время имеется понимание на качественном уровне причин необычайно широкого диапазона значений e (от нескольких единиц до 103) для различных классов диэлектрических веществ - газов, жидкостей, кристаллов.
Несовпадение центров тяжести положительных и отрицательных зарядов в элементарной ячейке кристалла в отсутствие внешнего электрического поля эквивалентно существованию в кристалле спонтанной (самопроизвольной) электрической поляризации, наличие которой может быть идентифицировано измерением связанных зарядов, возникающих на поверхности кристалла при изменении его температуры и обусловленных температурным изменением спонтанной поляризации. Такие кристаллы называют пироэлектрическими, а появление зарядов при нагревании или охлаждении кристалла - пироэлектрическим эффектом.
Среди пироэлектрических кристаллов выделяется особая группа кристаллов, в которых направление спонтанной поляризации может быть изменено внешним электрическим полем. Впервые это явление наблюдалось в 1920 году американским ученым Джозефом Валашеком на кристаллах сегнетовой соли KNaC4H4O6*4H2O (рис. 1). В русскоязычной литературе совокупность явлений, связанных с наличием в кристалле спонтанной поляризации, направление которой может быть изменено внешним электрическим полем и рядом сопутствующих свойств (наличием фазового перехода, разбиением кристалла на области с различным направлением спонтанной поляризации - домены и т.д.), называют сегнетоэлектрическим эффектом, а материалы, в которых этот эффект имеет место, - сегнетоэлектриками. Отметим, что ввиду явной формальной аналогии магнитных свойств ферромагнетиков с электрическими свойствами сегнетоэлектриков в англоязычной литературе последние называют ферроэлектриками. Интересно, что в течение 15 последующих после открытия Валашека лет обнаруженное явление рассматривалось как эффект изолированный и свойственный только одному кристаллу - сегнетовой соли. Только в 1935-1938 годах новые сегнетоэлектрические кристаллы были открыты в Швейцарии. Это кристаллы группы АН2ВO4 (А = K, Rb, Cs; В = P, As). Спустя еще 10 лет Б.М. Вул и И.М. Гольдман в Физическом институте АН СССР обнаружили сегнетоэлектрический эффект в кристаллах титаната бария BaTiO3, имеющих простую структуру типа перовскита. Это дало мощный толчок развитию экспериментальных, теоретических, поисковых работ в области физики сегнетоэлектриков: в последующие три десятилетия было обнаружено большое число сегнетоэлектрических кристаллов различных структурных типов и химического состава. Сегнетоэлектричество оказалось весьма распространенным в природе явлением; к настоящему времени представителей сегнетоэлектрических кристаллов можно обнаружить среди фосфатов и арсенатов, нитратов и солей глицина и бетаина, пропионатов и нитритов, двойных и сложных окислов, других соединений, содержащих почти все элементы таблицы Менделеева - всего более 200. Замечательной особенностью почти всех сегнетоэлектриков оказалось наличие структурных фазовых превращений: каждое сегнетоэлектрическое вещество обладает своими особыми свойствами лишь в определенном интервале температур и давлений. Своеобразным паспортом всякого сегнетоэлектрика (как, впрочем, и любого другого соединения) является его фазовая диаграмма, указывающая, при каких значениях указанных параметров реализуется сегнетоэлектрическая фаза. Ниже мы кратко остановимся на некоторых особенностях фазовых диаграмм сегнетоэлектриков. Здесь же отметим, что физика сегнетоэлектриков в настоящее время привлекает внимание исследователей не только в связи с многообразием потенциальных практических применений явления, но также и с принципиальным характером задач, которые приходится решать теоретикам и экспериментаторам для построения последовательной теории связи между строением и химическим составом кристалла и его свойствами, выяснения условий, способствующих возникновению в веществе спонтанно поляризованного состояния и фазовых превращений.
 |
| Рис. 1. Зависимость заряда от электрического поля на кристалле сегнетовой соли, полученная Дж. Валашеком в 1920 году. |
Назад | Вперед
Написать комментарий
|
