🗊Презентация Глава 5. Пьезоэлектрический эффект и электрострикция

Глава 5. Пьезоэлектрический эффект и электрострикция

Материалы, обладающие пьезоэлеткрическими свойствами, широко используются в технике и электронике. На их основе разрабатывают датчики давления, пьезоэлектрические звуковые излучатели (динамики) и микрофоны, кварцевые резонаторы, электронные фильтры для звуковоспроизводящей аппаратуры и даже детонаторы, используемые для детонации взрывчатых веществ в производстве и горнодобывающей промышленности. Материалы, обладающие пьезоэлеткрическими свойствами, широко используются в технике и электронике. На их основе разрабатывают датчики давления, пьезоэлектрические звуковые излучатели (динамики) и микрофоны, кварцевые резонаторы, электронные фильтры для звуковоспроизводящей аппаратуры и даже детонаторы, используемые для детонации взрывчатых веществ в производстве и горнодобывающей промышленности. Пьезоэлектрические излучатели и приемники широко используются в медицине: ультразвуковое исследование (УЗИ) и сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ). В быту пьезоэлектрики также широко применяются. К примеру, их можно встретить в зажигалках, цифровых телефонных аппаратах, увлажнителях воздуха, стиральных машинках (ультразвуковых), жестких дисках компьютера, струйных принтерах, пультах дистанционного управления и многих других бытовых электронных приборах.

Пьезоэлектрики Пьезоэлектрики Пьезоэлектрики – вещества (диэлектрики и полупроводники), в которых при определенных упругих деформациях (напряжениях) возникает вынужденная электрическая поляризация даже в отсутствие электрического поля . Так называется прямой пьезоэффект. Рис. 17 Прямой пьезоэффект С другой стороны, под действием электрического поля в этих же веществах возникают механические деформации (обратный пьезоэффект). Рис. 18 Обратный пьезоэффект

В электрическом поле в диэлектриках возникают различные В электрическом поле в диэлектриках возникают различные электромеханические эффекты (глава 1): «свободный» кристалл под действием поля деформируется, а в «зажатом» кристалле возникают упругие напряжения. Физической причиной электромеханических эффектов являются микроскопические смещения электрических за- рядов в приложенном электрическом поле, т.е. электрическую по- ляризацию непременно сопровождают механические эффекты. Ха- рактер зависимости электрически индуцированной механической деформации от напряженности электрического поля определяется симметрией структуры диэлектрика.

Следует заметить, что в диэлектриках с центросимметричной структурой знак возникающей в электрическом поле деформации (сжатие или растяжение) не зависит от электрической полярности. Этот эффект называется электрострикцией, которая имеет место во всех диэлектриках без исключения. При этом в большинстве диэлектриков в направлении приложенного поля происходит механическое растяжение, но эффект электрострикции весьма мал. Следует заметить, что в диэлектриках с центросимметричной структурой знак возникающей в электрическом поле деформации (сжатие или растяжение) не зависит от электрической полярности. Этот эффект называется электрострикцией, которая имеет место во всех диэлектриках без исключения. При этом в большинстве диэлектриков в направлении приложенного поля происходит механическое растяжение, но эффект электрострикции весьма мал.

Таким образом, пьезоэлектрик преобразует механическую энергию в электрическую или, наоборот, электрическую энергию преобразует в механическую. Таким образом, пьезоэлектрик преобразует механическую энергию в электрическую или, наоборот, электрическую энергию преобразует в механическую. Первоначально наблюдался первый из этих эффектов, который по этой причине получил название «прямой» пьезоэффект.

Прямой пьезоэлектрический эффект заключается в том, что при воздействии механического напряжения Х вследствие вызванной механическим напряжением упругой деформации х в некоторых Прямой пьезоэлектрический эффект заключается в том, что при воздействии механического напряжения Х вследствие вызванной механическим напряжением упругой деформации х в некоторых диэлектриках – пьезоэлектриках – возникает электрическая поляризация, рис. 7.1, а–в. Поскольку электрическая проводимость пьезоэлектрика (диэлектрика) очень мала, то поляризация проявляется в виде механически индуцированных электрических зарядов на поверхности деформированного пьезоэлектрика. Плотность этих зарядов определяет модуль механически индуцированной поляризованности Р, а направление этого вектора выбирается от «–» к «+», как пока за но на рис. 7.1, б, в.

В отсутствие механических воздействий (X = 0, х = 0) отсутству- В отсутствие механических воздействий (X = 0, х = 0) отсутству- ют и свободные заряды на поверхности пьезоэлектрика, и он не по- ляризован (рис. 7.1, а). Поляризация появляется в пьезоэлектрике в результате «положительной» деформации растяжения (х > 0) или «отрицательной» деформации сжатия (х < 0). Изменение знака ме- ханического воздействия, например, при замене сжатия (рис. 7.1, б) растяжением (рис. 7.1, в), вызывает изменение знака электрической поляризованности Р. При «прямом» пьезоэффекте величина поля- ризованности прямо пропорциональна величине деформации: Р = х (рис. 7.1, ж). Таким образом, пьезоэффект представляет собой линей- ный (нечетный) электромеханический эффект.

Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в том, что элек- Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в том, что элек- трическое поле деформирует нецентросимметричный кристалл, как показано на рис. 7.1, д, е. Знак электрически индуцированной дефор- мации изменяется при изменении знака электрического воздействия. Величина деформации кристалла линейно изменяется с изменением величина поля: x = d*E Этот признак пьезоэффекта – линейность эффекта – очень важен, поскольку он отличает обратный пьезоэффект от электрострикции, при которой деформация диэлектрика, вызванная электрическим полем, находится в квадратичной (четной) зависимости от величины этого поля: x = R*E2. Таким образом, электрострикционная деформация не изменяется с изменением знака E.

Электрострикция отличается от пьезоэффекта еще и тем, что она не имеет обратного эффекта, т.е. эффект является исключительно электромеханическим, но не «механоэлектрическим». Электрострикция отличается от пьезоэффекта еще и тем, что она не имеет обратного эффекта, т.е. эффект является исключительно электромеханическим, но не «механоэлектрическим». В случае прямого пьезоэффекта электрический момент (поляризованность) возникает за счет смещения связанных заряженных частиц нецентросимметричного диэлектрика. В центросимметричном диэлектрике смещение заряженных частиц под действием механической силы не приводит к поляризованному состоянию диэлектрика именно в силу наличия в его структуре центра симметрии: происходит компенсация электрических моментов, создаваемых смещением положительно и отрицательно заряженных частиц. Поэтому электрострикция не имеет обратного эффекта. Если для проявления пьезоэффекта диэлектрик непременно должен быть нецентросимметричным, то электрострикция не имеет ограничений по симметрии и проявляется в любых диэлектриках.

В большинстве случаев эффект электрострикции настолько мал, В большинстве случаев эффект электрострикции настолько мал, что его можно не учитывать не только при техническом применении, но и при научных исследованиях диэлектриков (относительная де- формация при электрострикции редко превышает 10−7). Тем не ме- нее, следует отметить, что в последнее время обнаружены активные диэлектрики, обладающие «гигантской» электрострикцией, отно- сительная деформация которых во внешнем электрическом поле достигает 10−4 – 10−3, т.е. примерно такая же, как и в лучших пьезоэлектриках. Такие электрострикционные материалы находят важное техническое применение, поскольку они не имеют гистерезиса в характеристике электрического управления деформацией.

Таким образом, пьезоэлектричество и электрострикция представ- Таким образом, пьезоэлектричество и электрострикция представ- ляют собой близкие по физической природе электромеханические эффекты. При механическом воздействии на диэлектрики электри- ческая поляризация возникает только в некоторых из них – в пье- зоэлектриках (прямой пьезоэффект). Напротив, при электрическом воздействии в любых диэлектриках всегда происходит механическая деформация – электрострикция, но, как правило, она мала. В спе- циальных случаях (при отсутствии центра симметрии в структуре диэлектрика) кроме электрострикции возникает обратный пьезо- эффект. Как правило, обратный пьезоэффект по своей величине на- столько превосходит электрострикцию, что последней можно прене- бречь.

Как правило, в физике твердого тела и механические и электри- Как правило, в физике твердого тела и механические и электри- ческие свойства диэлектриков изучаются как независимые. Однако в пьезоэлектриках, в силу их особенного строения, электрические и механические свойства оказываются взаимно обусловленными. По- этому, прежде чем рассматривать взаимные (электромеханические) свойства, следует остановиться раздельно на механических, и элек- трических свойствах твердых тел. Механические свойства отражают внутренние связи между мо- лекулами, атомами или ионами вещества. К ним относят упругость, механическую прочность, твердость, вязкость и др. Многие из этих свойств сами по себе являются важными физико-техническими па- раметрами пьезоэлектриков. Далее рассматриваются только упругие свойства как имеющие прямое отношение к пьезоэффекту.

Электрические свойства вещества обусловлены особенностями перемещения в них электрических зарядов. В частности, для проявления пьезоэффекта вещество не должно проводить электрический ток, т.е. должно быть диэлектриком. В диэлектриках важнейшими электрическими свойствами в слабых полях являются электрическая поляризация и диэлектрические потери, а в сильных – электрическая проводимость и пробой. Эти свойства очень важны как характеристики применяемых в технике пьезоэлементов. Электрические свойства вещества обусловлены особенностями перемещения в них электрических зарядов. В частности, для проявления пьезоэффекта вещество не должно проводить электрический ток, т.е. должно быть диэлектриком. В диэлектриках важнейшими электрическими свойствами в слабых полях являются электрическая поляризация и диэлектрические потери, а в сильных – электрическая проводимость и пробой. Эти свойства очень важны как характеристики применяемых в технике пьезоэлементов.

К электромеханическим параметрам кристаллов и текстур отно- К электромеханическим параметрам кристаллов и текстур отно- сят пьезомодули, коэффициент электромеханической связи, а также пьезоэлектрическую (механическую и электрическую) добротность, которая указывает на потери энергии в пьезоэлектрических преобра- зователях. Из перечисленных выше параметров, в соответствии с тем или иным техническим применением пьезоэффекта, для материалов определяют «коэффициенты качества», по которым можно сравни- вать свойства различных пьезоэлектриков с целью выбора для тех или иных практических применений.

Пьезоэлектрический эффект играет важнейшую роль в современ- Пьезоэлектрический эффект играет важнейшую роль в современ- ной электронике, приборостроении и электротехнике. Классифика- ция технических применений пьезоэффекта приводится в таблице на рис. 7.2. Кроме прямого и обратного пьезоэффектов, а также электро- стрикции, в технике широко используется явление пьезорезонанса, наблюдаемое в случае, когда в пьезоэлементе по одному или несколь- ким геометрическим размерам укладывается целое число акустиче- ских (ультразвуковых) упругих волн, возбуждаемых электрическим полем за счет электромеханической связи. В окрестности резонанса эффективность пьезоэлектрического преобразования многократно увеличивается.

Как видно из таблицы, пьезоэлектрики широко используются в Как видно из таблицы, пьезоэлектрики широко используются в электронике, акустике, автоматике, приборостроении, технике свя- зи и бытовой технике. Разработаны весьма разнообразные конструк- ции пьезопреобразователей: от многотонных акустических антенн для сонаров (гидролокаторов) до сверхминиатюрных – толщиной ме нее микрометра – пьезоэлектрических пленок для использования в устройствах на поверхностных акустических волнах (ПАВ ). В последнее время интенсивно разрабатываются разнообразные микроэлектронные устройства с применением пьезоактивных слоев и микро-пьезоэлементов в связи с развитием функциональной элек- троники, использующей для обработки сигналов разнообразные эф- фекты в твердых телах. Непрерывно совершенствуются параметры пьезоэлектрических материалов (монокристаллов, поликристаллов и композитов).

Важнейшие самостоятельные научно-технические области ис- Важнейшие самостоятельные научно-технические области ис- пользования пьезоэффекта: 1) пьезоэлектроника (пьезотехника объёмных акустических волн), включающая разработку пьезоприёмников, пьезотрансформа- торов и пьезодвигателей, телефонов, адаптеров и микрофонов, пьезо- резонаторов и пьезофильтров; 2) акустоэлектроника (пьезотехника поверхностных волн), в ко- торой разрабатываются микроэлектронные преобразователи инфор- мации – линии задержки, фильтры, датчики внешних воздействий, конвольверы и др.; 3) акустооптика, использующая взаимодействие оптических волн с акустическими, что позволяет разрабатывать дефлекторы, оптиче- ские фильтры и другие оптические устройства.

Пьезоэлектрические материалы 1. Пьезоэлектрические монокристаллы. Природные пьезоэлектрические материалы имеют достаточно высокую стоимость. В связи с этим потребности бурно развивающейся электроники в настоящее время удовлетворяются синтетическими пьезоэлектрическими монокристаллами, которые выращиваются в специальных установках. Пьезоэлектрические свойства таких кристаллов с достаточно высокой повторяемостью можно задавать путем композиции входящих в него компонентов. Выращенные кристаллы определенным образом режутся на пластины, некоторые (сегнетоэлектрики) поляризуются, и из них путем шлифования и нанесения электродов изготавливаются пьезоэлектрические элементы.

2. Пьезоэлектрическая керамика (пьезокерамика). 2. Пьезоэлектрическая керамика (пьезокерамика). По физическим свойствам это поликристаллический сегнетоэлектрик, представляющий собой химическое соединение или твердый раствор (порошок) зерен (кристаллитов). По химическому составу это сложный оксид, включающий ионы двухвалентного свинца или бария, а также ионы четырехвалентного титана или циркония. Путем изменения основного соотношения исходных материалов и введения добавок синтезируют разные составы пьезокерамики, обладающие определенными электрофизическими и пьезоэлектрическими характеристиками. Наибольшее распространение получила группа пьезокерамических материалов типа ЦТС (цирконата-титаната свинца). Вместе с тем используется керамика на основе титаната бария (ТБ) и титаната свинца (ТС). В последние годы разрабатываются новые пьезокерамические материалы со свойствами, позволяющими в некоторых случаях использовать их вместо более дорогостоящих пьезоэлектрических кристаллов. В частности, разработана и производится группа материалов на основе ниобата свинца, которая уже нашла практическое применение благодаря возможности ее использования в диапазоне частот до 30 и более МГц. Значительные исследования проводятся по созданию пьезокерамических композитных материалов, а также многослойной керамики. Зарубежные производители в зависимости от пьезоэлектрических свойств делят ее на сегнетожесткую и сегнетомягкую. В отечественной практике существует дополнительное деление на керамику средней сегнетожесткости, а также выделяются высокостабильные, высокотемпературные и т. п. материалы. Качество пьезокерамики характеризуется следующими, принятыми за рубежом, основными параметрами: KT33 (eT33/e0) — относительная диэлектрическая проницаемость; tg d — тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 1 кГц в слабых полях; Tc (Tk) — температура точки Кюри; Kp K33 K31 K15 — коэффициенты электромеханической связи; d33 -d31 d15 — пьезоэлектрические модули; g33 g31 g15 — электрические коэффициенты по напряжению; YE11 YE33 — модули Юнга; NL NT NR — частотные постоянные; SE11 SE33 — параметр эластичности; r — плотность; Qm — механическая добротность.

Пьезокерамические элементы В отличие от пьезоэлектрических кристаллов, пьезокерамические элементы изготавливаются методом полусухого прессования, шликерного литья, горячего литья под давлением, экструзии или изостатического прессования с последующим обжигом на воздухе при температуре 1000–1400 градусов по Цельсию. С целью уменьшения пористости обжиг может проводиться в среде кислорода, или элемент изготавливается с помощью метода горячего литья. По специальной технологии на поверхность заготовок наносятся электроды. После этого керамику делают пьезоэлектрической с любым выбранным направлением поляризации путем помещения ее в сильное электрическое поле при температуре ниже так называемой точки Кюри. Поляризация обычно является окончательным процессом при изготовлении пьезокерамических элементов, хотя за ним следует термостабилизация и контроль параметров. Пьезоэлектрическая керамика представляет собой твердый, химически инертный материал, совершенно нечувствительный к влажности и другим атмосферным воздействиям. По механическим качествам она подобна керамическим изоляторам. В зависимости от предназначения пьезоэлементы могут иметь самую разнообразную конфигурацию — от плоской до объемной (сферы, полусферы и т. п.)

Для последующего понимания целесообразно ввести следующее общепринятое в зарубежной практике условное деление типовых пьезоэлементов в зависимости от их конфигурации (см. приложение): пластина (plate), диск (disc), кольцо (ring), брусок (bar), стержень (rod), цилиндр (cylinder). Существуют также гибкие пьезокерамические элементы: пластинчатые (plate bender) и дисковые (disc bender), которые, в свою очередь, подразделяются на юниморфы (unimorph), то есть однослойные, и биморфы (bimorph) — двухслойные. Такое условное деление не безупречно (цилиндр по сути дела является трубкой и в зависимости от высоты его можно назвать кольцом; в то время как кольцо по своей конфигурации напоминает шайбу). Вместе с тем, оно общепринято и позволяет упростить в процессе заказа описание требуемого элемента. В нашей же практике один и тот же элемент потребители называют по-разному, и без чертежа или более подробного описания трудно представить порой, какой элемент хотел бы приобрести заказчик. Например, «кольцо» у нас называют кольцом, шайбой и таблеткой, «диск» — диском, шайбой и таблеткой.

Применение пьезокерамических элементов

Глава 4. Пироэлектрики и электреты Изменение температуры кристалла, обладающего спонтанной поляризацией, приводит к появлению электрических зарядов на его определенных гранях. Это явление получило название пироэлектрического эффекта. Появление зарядов связано с изменением спонтанной поляризации.

В некоторых диэлектриках электрическая поляризация может В некоторых диэлектриках электрическая поляризация может длительно существовать в отсутствие приложенного извне электри- ческого поля. Это поляризованное состояние может быть как энер- гетически выгодным (стабильным и весьма устойчивым к внешним воздействиям), так и существовать в виде метастабильного состояния (которое может быть нарушено). В первом случае поляризация назы- вается «спонтанной», а во втором случае – «остаточной». В спонтанно поляризованных диэлектриках тепловая энергия мо- жет непосредственно превращаться в электрическую энергию за счет пироэлектрического эффекта, т. е. за счет изменения собственной поляризации диэлектриков при их нагревании или охлаждении. Та- ким образом, пироэлектрик, как и пьезоэлектрик, представляет со- бой твердотельный преобразователь энергии, только пьезоэлектрик является электромеханическим (или, наоборот, механоэлектриче- ским) преобразователем, а пироэлектрик представляет собой тепло- электрический (или электротепловой) преобразователь.

Такое превращение энергии в твердом теле возможно только в Такое превращение энергии в твердом теле возможно только в том случае, если диэлектрик (кристалл, поликристалл или полимер) электрически поляризован. Однако эта поляризация в отсутствие внешних воздействий заметным образом не проявляется. Дело в том, что при неизменной температуре «собственная» (спонтанная) поля- ризованность обычно полностью скомпенсирована электрическими зарядами, оседающими на поверхности полярного диэлектрика или на электродах. Собственная (внутренняя) поляризация пироэлектри- ка проявляет себя только при динамическом (временном) изменении внешних условий. Как отмечалось в предыдущей главе, изменение механических напряжений приводит к пьезоэлектрической поля- ризации полярного диэлектрика. Пироэлектрическая поляризация проявляется при изменении температуры полярного вещества.

Повышение или понижение температуры полярного диэлектрика изменяет интенсивность теплового движения частиц в нем и при этом изменяет как ориентацию полярных комплексов, так и расстояние между ними, приводя к изменению спонтанной поляризованности. Повышение или понижение температуры полярного диэлектрика изменяет интенсивность теплового движения частиц в нем и при этом изменяет как ориентацию полярных комплексов, так и расстояние между ними, приводя к изменению спонтанной поляризованности. Вследствие этого на поверхности полярного диэлектрика появляются нескомпенсированные электрические заряды.

Пироэлектрический эффект был описан еще в старинных научных Пироэлектрический эффект был описан еще в старинных научных трудах (упоминался около 2000 лет тому назад греческим философом Плинием). Наблюдался этот эффект, как правило, в полудрагоцен- ном минерале турмалине (впоследствии такие кристаллы были на- званы «электрическими»). Термин «пиро-» происходит от греческо- го слова «огонь», поскольку эффект проявлял себя при нагревании турмалина на огне. При таком нагревании на поверхности кристалла появлялись электрические заряды, что сопровождалось звуками «по- трескивания» – электрическими разрядами. Более того, наблюдалось притяжение нагретым турмалином мелких частиц. Современные из- мерения показали, что изменение температуры всего на 10 градусов приводит к появлению на тонкой (~ 1 мм) пластинке кристалла тур- малина электрического потенциала около 1 кВ. При этом турмалин – сравнительно слабый пироэлектрик. В пироэлектрическом кристал- ле, обладающем большим пирокоэффициентом, уже при небольшом нагревании кристалла может произойти электрический пробой.

Как электрическое явление пироэффект был квалифицирован Как электрическое явление пироэффект был квалифицирован около 200 лет тому назад Эпинусом. Однако основные аспекты сим- метрии и физический механизм пироэффекта были описаны только в начале двадцатого века Фогтом. Кроме кристаллов группы турма- лина, появление «электрического отклика» при изменении темпера- туры наблюдалось и в кварце, в котором нет векторного полярного электрического момента (кварц – не пироэлектрик, но пьезоэлек- трик). Объяснение «пироэффекта в кварце» было дано только около 15 лет назад, когда было установлено, что «искусственное пироэлек- тричество» может проявиться при определенных граничных услови- ях во всех пьезоэлектрических классах кристаллов как следствие ис- кусственно созданной диссимметрии.

Как среди минералов, так и среди искусственно синтезированных Как среди минералов, так и среди искусственно синтезированных кристаллов пироэлектрики встречаются сравнительно редко. К пироэлектрикам – минералам относятся, главным образом, турмалины (алюмоборосиликаты типа NaMg[Al3B3· SiO6(OOH)30] с разными примесями), а к синтетическим пироэлектрикам – сульфат лития (LiSO4· H2O), ниобат лития LiNbO3, виннокислый калий (K4C8O12· H2O) и др.

Пироэлектриками являются все широкозонные полупроводники типа AIIBVI (СdS, ZnO и др.), но пироэффект в них обычно невелик. Интересно отметить, что пироэлектриком является также кристаллический сахар (С12Н12О11), и это его свойство используется в гомеопатических лекарствах.

Все сегнетоэлектрики потенциально являются пироэлектриками, Все сегнетоэлектрики потенциально являются пироэлектриками, так как они спонтанно поляризованы. Для того чтобы использовать сегнетоэлектрик в качестве пироэлектрического элемента, его не- обходимо монодоменизировать. В противном случае пироэффект, происходящий от множества по-разному ориентированных сегнетоэ- лектрических доменов, взаимно компенсируется. Монодоменизацию сегнетоэлектриков можно осуществить разными способами, вклю- чая температурную поляризацию . Современная технология получения пироэлектрических кристаллов – сегнетоэлектриков обычно предполагает такую технологию выращивания кристалла, при которой изначально обеспечивается его монодоменная структура.

Около 30 лет назад пироэлектрики начали применяться в электро- нике в качестве уникально чувствительных неохлаждаемых датчи- ков температуры (сенсорах) и в инфракрасных детекторах теплового излучения. В сравнении с полупроводниковыми сенсорами температуры пироэлектрические сенсоры обладают рядом преимуществ: работают при комнатных температурах (неохлаждаемые термо- датчики); имеют широкий частотный диапазон по чувствительности; пироэлектрические материалы экономичны (не требуют особенно высокой чистоты). Технические применения стимулировали быстрое развитие физи- ки пироэлектричества, а также пироэлектрического материаловеде- ния. К настоящему времени синтезированы и исследованы десятки пироэлектриков, причем многие из них уже нашли широкое техни- ческое применение.

Определение пироэлектрического эффекта Как правило, пироэффект обусловлен температурным изменением спонтанной (самопроизвольной) поляризации полярных кристаллов, однако подобный же эффект может быть искусственно индуцирован в любых твердых диэлектриках, если к ним приложено извне электрическое поле. В пьезоэлектрических кристаллах искусственный пироэффект можно вызвать и без приложения внешнего электрического поля. Это обеспечивается созданием специальных граничных условий для нагреваемого пьезо-пиро-элемента, напри- мер, частичным запрещением его термической деформации.

Без внешнего электрического поля и при отсутствии механи- ческих воздействий изменение поляризованности с температурой возможно только в тех кристаллах, где эта поляризованность су- ществует спонтанно: Pc. Так, в нормальных условиях (вблизи тем- пературы 300 К ), спонтанная поляризованность специально синте- зированных кристаллов – пироэлектриков равна: в ниобате лития Рс = 100 мкКл/см2, в сульфате лития Рс = 6 мкКл/см2, в виннокислом калии Рс = 80 мкКл/см2. Спонтанная поляризованность природного кристалла турмалина равна 17 мкКл/см2. Пироэлектричество, как и пьезоэлектричество, предопределяется особенностями симметрии кристаллов.

Если для проявления пьезоэ- лектрических свойств необходимым условием является отсутствие центра симметрии в структуре кристаллов, то пироэлектрический эффект возможен лишь в тех кристаллических структурах, кото- рые имеют особый элемент симметрии – полярную ось. Эта особен- ность симметрии, очевидно, обеспечивает ацентричность полярного кристалла, так что любой пироэлектрик должен обладать и пьезоэ- лектрическими свойствами (но не наоборот). Из 20 пьезоэлектри- ческих классов кристаллов (приведенных в предыдущей главе в табл. 7) только 10 классов симметрии являются пироэлектрически- ми; их обозначения: 1, 2, 3, 4, 6, m, 2m, 3m, 4m и 6m. Как уже от- мечалось выше, цифра указывает порядок полярной оси, а буква m обозначает плоскость симметрии, проходящую через полярную ось.

Кроме кристаллов, пироэлектричеством обладает поляризованная Кроме кристаллов, пироэлектричеством обладает поляризованная сегнетокерамика: в ней при повышенной температуре и под действи ем приложенного извне электрического поля ориентируются домены (спонтанно поляризованные микрообласти), так что после охлаж- дения до нормальной температуры и выключения поля остается по- ляризованная пироактивная текстура, имеющая симметрию ∞⋅m (знаком ∞ обозначает ось симметрии бесконечного порядка). Ввиду механической прочности и химической стойкости, поляризованная сегнетокерамика используется в пирометрии, хотя ее чувствитель- ность может существенно уступать некоторым полярным кристал- лам – сегнетоэлектрикам

Простая модель пироэлектрического эффекта. Рассмотрим механизм пироэлектричества в наиболее простой мо- дели – одномерного монокристалла (рис. 8.1). В нем собственным электрическим моментом обладает каждая элементарная ячейка, обозначенная на рисунке как полярная молекула-диполь. Спонтанный электрический момент Рс обусловлен суммой элементарных моментов р0 одинаково направленных диполей. В рассматриваемой модели пироэлектрика (рис. 8.1, а) предполагается, что сила связи внутри простейшей молекулы, состоящей из пары ионов, разделенных расстоянием а, больше, чем связь между соседними молекулами, находящимися на расстоянии b. Такую элементарную ячейку можно выделить, например, в спонтанно поляризованном кристалле CdS и в других широкозонных полупроводниках типа AIIBIV, которые все относятся к пироэлектрическому классу точечной симметрии 6m.

В приведенной модели «одномерного пироэлектрика» должен наблюдаться также и пьезоэффект, который, наряду с основным механизмом пироэлектрической поляризации, вносит свой вклад в пироэлектричество. Действительно, механическое растяжение или сжатие дипольной цепочки приводит к изменению удельного электрического момента: P ~ Δl/l. Таким образом, не только из общих симметрийных соображений, но и из данной модели видно, что пироэлектрик должен обладать пьезосвойствами (однако обратное заключение для механически свободных кристаллов несправедливо).

На рис. 8.1, б двухатомные полярные молекулы заменены стрелками, показывающими направление дипольных моментов. В идеализированном случае, при абсолютной температуре Т = 0 диполи строго ориентированы (квантовыми колебаниями решетки пренебрегаем). По мере повышения температуры тепловое хаотическое движение вызывает, во-первых, частичное разупорядочение диполей, а во-вторых – термическое расширение кристалла. В свободно деформирующемся кристалле оба эти механизма приводят к уменьшению спонтанной поляризованности Рс с ростом температуры Т (рис. 8.1, д). На рис. 8.1, б двухатомные полярные молекулы заменены стрелками, показывающими направление дипольных моментов. В идеализированном случае, при абсолютной температуре Т = 0 диполи строго ориентированы (квантовыми колебаниями решетки пренебрегаем). По мере повышения температуры тепловое хаотическое движение вызывает, во-первых, частичное разупорядочение диполей, а во-вторых – термическое расширение кристалла. В свободно деформирующемся кристалле оба эти механизма приводят к уменьшению спонтанной поляризованности Рс с ростом температуры Т (рис. 8.1, д). Первый механизм присутствует во всех полярных кристаллах при изменении их температуры, но второй механизм – термическое расширение пироэлектрика – в эксперименте можно, в принципе, исключить, если «запретить» механические деформации кристалла (поместив, например, тонкий слой кристалла на жесткую недеформируемую подложку).

В линейных пироэлектриках – кристаллах типа турмалина или сульфата лития – температурное изменение Рс обусловлено, главным образом, тепловым расширением (при охлаждении – сжатием) кристалла. Такой вид пироэффекта, который обусловлен пьезоэлектрическим преобразованием термодеформаций, принято называть вторичным пироэффектом. В линейных пироэлектриках – кристаллах типа турмалина или сульфата лития – температурное изменение Рс обусловлено, главным образом, тепловым расширением (при охлаждении – сжатием) кристалла. Такой вид пироэффекта, который обусловлен пьезоэлектрическим преобразованием термодеформаций, принято называть вторичным пироэффектом. В нелинейных пироэлектриках, к которым относятся все сегнетоэлектрики, температурное изменение Рс вызвано преимущественно разупорядочением дипольной структуры. Изменение дипольного упорядочения приводит к первичному пироэффекту.

Из-за большого (критического) изменения спонтанной поляри- Из-за большого (критического) изменения спонтанной поляри- зации с температурой (dРс/dT) вблизи точки Кюри именно сегне- тоэлектрики наиболее часто применяются в качестве пироэлектрических сенсоров. Пропорциональность изменения поляризованности вектора ΔP изменению температуры ΔТ обусловлена тем, что электрический момент каждого диполя зависит от его ориентации: Δp = p0 (1 – cos θ). Поскольку угол θ мал, то его можно считать пропорциональным интенсивности теплового движения: θ ~ kT. Поэтому изменение температуры на небольшую величину ΔТ = Т2 – Т1 приводит к соответствующему изменению поляризованности ΔP = γ1ΔТ Где γ1 – пирокоэффициент, соответствующий первичному пироэффекту.

Для вторичного пироэффекта пропорциональность ΔP и ΔТ следует из линейного закона термического расширения: Для вторичного пироэффекта пропорциональность ΔP и ΔТ следует из линейного закона термического расширения: Δl = ΔТ, где β – коэффициент термического расширения, а также из уравнения пьезоэффекта: ΔP= e · Δl /l, где е – пьезоэлектрическая константа деформации. В результате получаем линейное уравнение вторичного пироэффекта: ΔP = γ2 ΔТ. С учетом обоих вкладов в пироэффект изменение поляризованности равно: P = (γ1 +γ2) ΔТ.

Поскольку температура Т – скаляр, а поляризованность Р – век- Поскольку температура Т – скаляр, а поляризованность Р – век- тор, то и пирокоэффициент γ = γ1 + γ2 представляет собой также векторную величину. Но это особенный, «материальный», а не «силовой» вектор (как напряженности полей Е, D или P). Материальный тензор первого ранга (вектор) описывает распределение электрического от- клика в объеме пироэлектрика: соответствующая указательная по- верхность (индикатриса) имеет вид сферы, рис. 8.2. Сфера эта рас- положена на плоскости -m и описывается уравнением: P(ϕ) = P · cos ϕ, где ϕ – угол, под которым из кристалла вырезается пластинка, в ко- торой исследуется пироэффект. Срез пироэлектрического кристалла, сделанный перпендикулярно к направлению спонтанной поляри- зованности (ϕ = 0), обладает максимальными пироэлектрическими свойствами, в то время как срез кристалла, параллельный Рс (ϕ = π/2) пироэффектом не обладает.

Как следует из формул (1), (2), пирокоэффициент - это полярный вектор, единица измерения которого  1 Клм-2К-1. В линейных пироэлектриках значение  колеблется в пределах 10-7  10-5, а в сегнетоэлектриках 10-5  10-3 Клм-2 К-1. Значения пирокоэффициентов, полученные при комнатной температуре для ряда линейных пироэлектриков и сегнетоэлектриков, приведены в табл. 1.

Считается, что приращение поляризации, наблюдаемое при изменении температуры, можно представить в виде

Другими словами, истинным (первичным) пироэффектом называется изменение , не связанное с пьезоэлектрической поляризацией. Изменение , связанное с пьезополяризацией, представляет собой ложный пироэффект. Он возникает, когда образец может свободно сжиматься или расширяться и деформация вызывает пьезоэлектрическую поляризацию, т.е. вторичный эффект. Истинный и ложный пироэффекты в сумме составляют полный пироэффект. Другими словами, истинным (первичным) пироэффектом называется изменение , не связанное с пьезоэлектрической поляризацией. Изменение , связанное с пьезополяризацией, представляет собой ложный пироэффект. Он возникает, когда образец может свободно сжиматься или расширяться и деформация вызывает пьезоэлектрическую поляризацию, т.е. вторичный эффект. Истинный и ложный пироэффекты в сумме составляют полный пироэффект.

В научной литературе уделяется большое внимание вопросу о соотношении первичного и вторичного эффектов. Братья Кюри и В. Рентген взяли под сомнение сам факт существования первичного пироэлектричества. В. Фогт (1898 г.), вырезав из одного монокристалла турмалина образцы для определения величины  и компонент ", установил, что пироэлектрический эффект в этом соединении является в основном вторичным, обусловленным пьезоэлектрической поляризацией при тепловой деформации кристалла. Однако достоверно было установлено и существование первичного эффекта, несмотря на то, что он составляет 10-20 % от полного. При комнатной температуре (22,2C) отношение u/ = 0,2. Видно, что истинный пироэффект сравнительно мал, но он уверенно фиксируется в эксперименте. В научной литературе уделяется большое внимание вопросу о соотношении первичного и вторичного эффектов. Братья Кюри и В. Рентген взяли под сомнение сам факт существования первичного пироэлектричества. В. Фогт (1898 г.), вырезав из одного монокристалла турмалина образцы для определения величины  и компонент ", установил, что пироэлектрический эффект в этом соединении является в основном вторичным, обусловленным пьезоэлектрической поляризацией при тепловой деформации кристалла. Однако достоверно было установлено и существование первичного эффекта, несмотря на то, что он составляет 10-20 % от полного. При комнатной температуре (22,2C) отношение u/ = 0,2. Видно, что истинный пироэффект сравнительно мал, но он уверенно фиксируется в эксперименте.

Соотношение между первичным и вторичным пирокоэффициентами по знаку и величине является функцией температуры. До последнего времени считалось само собой разумеющимся, что коэффициент теплового расширения () определяет температурную зависимость "(T), так как экспериментально показано, что d ijkT;E(Т) = const и c jklm T;E= const. Однако В.К. Новик cформулировал проблему: должно ли значение "(T) рассчитываться по макроскопически измеряемым коэффициентам теплового расширения  или в выражении для "(T) должны учитываться только те составляющие макроскопически измеряемого (Т), которые обязаны физическим механизмам и элементам структуры, непосредственно формирующим пироэлектричество в данной кристаллической решетке. Соотношение между первичным и вторичным пирокоэффициентами по знаку и величине является функцией температуры. До последнего времени считалось само собой разумеющимся, что коэффициент теплового расширения () определяет температурную зависимость "(T), так как экспериментально показано, что d ijkT;E(Т) = const и c jklm T;E= const. Однако В.К. Новик cформулировал проблему: должно ли значение "(T) рассчитываться по макроскопически измеряемым коэффициентам теплового расширения  или в выражении для "(T) должны учитываться только те составляющие макроскопически измеряемого (Т), которые обязаны физическим механизмам и элементам структуры, непосредственно формирующим пироэлектричество в данной кристаллической решетке.

Автор перечисляет примеры типичного несоответствия поведения (T) макроскопически определяемым зависимостям (Т). В некоторых пироэлектриках компоненты тензора теплового расширения в отдельных температурных диапазонах имеют отрицательный знак, в частности в монокристаллах ZnO и CdS величина <0 при температурах ниже 125 K, в монокристаллах Li2SO4 H2O величина 33 < 0 в области комнатных температур. Однако температуры смены знака не получают никакого отражения на зависимостях (T) этих монокристаллов. Автор перечисляет примеры типичного несоответствия поведения (T) макроскопически определяемым зависимостям (Т). В некоторых пироэлектриках компоненты тензора теплового расширения в отдельных температурных диапазонах имеют отрицательный знак, в частности в монокристаллах ZnO и CdS величина <0 при температурах ниже 125 K, в монокристаллах Li2SO4 H2O величина 33 < 0 в области комнатных температур. Однако температуры смены знака не получают никакого отражения на зависимостях (T) этих монокристаллов. В настоящее время неясно, каким образом выделить активные в пироэлектричестве компоненты макроскопически измеряемых зависимостей (Т). Предполагается, что физические механизмы, ответственные за возникновение первичного пироэффекта и теплового расширения, должны иметь одну и ту же температурную зависимость. Отсюда следует, что и температурная зависимость суммарного пирокоэффициента может и должна описываться теориями, развитыми для первичного пирокоэффициента.