Физическая энциклопедия Том 4 - Порохов А.М.
Скачать (прямая ссылка):
I і
^эл.'ст— 2 ^микро^1—
(U)
Если в отсутствие кулоновского диполь-дипольного взаимодействия устойчива симметричная конфигурация атомов, то потенциальная энергия, приходящаяся на элементарную ячейку, обусловлена др. короткодействующими силами:
і
U
KOp'
ат]я, а>0,
(12)
где т — эфф. масса осциллятора (колеблющейся подрешётки), L — кинетич. коэффициент. Учитывая ур-ние (1), получаем:
где г| — относит, смещение атомов разного типа из симметричных положений, а — коэф., описывающий короткодействующие силы некулоновского происхождения.
При наличии кулоновской составляющей к (12) необходимо добавить (11) и с учётом того, что 3і — ец/ияч, полный потенциал равен
^ полн ~ 2 (а Pff2 / ljJl4) tI2 '
Из ф-лы (13) видно, что диполь-дипольное взаимодействие даёт дестабилизируюпцш вклад и, если а < ре2/ячї tO центр, положение подрешётки рассматриваемых ионов энергетически невыгодно, так что при T = 0 К кристалл находится в менее симметричной конфигурации с r| ^ 0.
Системы типа порядок — беспорядои. Для систем типа порядок — беспорядок характерно существование для определённых ионных подрешёток или молекулярных комплексов потенциального рельефа с двумя минимумами (рис. 5). Для обычных кристаллов со сла-
Рис. 5. Потенциальный рельеф, в котором происходит движение ионов разупорядо-ченной подрешётки в системах типа порядок — беспорядок.
бым энгармонизмом колебаний кристаллической решётки такая ситуация невозможна вплоть до темп-ры плавления. Выше точки фазового перехода каждый атом неупорядоченной подрешётки находится с равной вероятностью Wі =Wи в одном нз двух положений равновесия; при T — 0 К все атомы находятся в одинаковых «правых» или «левых» минимумах. Темп-ре сегиетоэлек-трпч. фазового перехода отвечает ситуация, когда благодаря взаимодействию между упорядочивающимися частицами Wj ^ W и-
Система может быть приближённо описана гамильтонианом (CM. Изинга модель)'.
Ж=—— ^ Jrr' 0R 0R') (1*)
R1R'
где Or, Ctr' — величины, принимающие значения -}-1 (положение I) или —1 (положение II), пабор к-рых даёт полную картину положений атомов в неупорядоченной подрешётке, Jrr' — постоянная, описывающая взаимодействие частиц, находящихся в положениях,
определяемых векторами RhR'. Расчёт Ф в приближении самосогласованного молекулярного поля приводит к выражению типа (1), где
Ni-Nu еЬ
г JV Vtl4 ’
Здесь е — заряд неупорядоченной частицы; JVi, JVji— ср. числа частиц в положениях I, II (рис. 5), Tk = /0/А,
ГДЄ Xq = - J RtR'.
RtR*
Для систем типа порядок — беспорядок постоянная Кюри — Вейса обычно на 2—3 порядна меньше, чем для систем типа смещения. Изменение энтропии S на
1 частицу при переходе от полного беспорядка (Т > Ttk) к полному порядку (Т — О К) AS — Ып2; затухание тепловых флуктуаций параметра порядка г| носит релаксац. характер.
Несмотря на традиц. представления о природе сегнетоэлектрич. свойств, уровень понимания сущности явления пока недостаточен. В частности, не решена общая проблема предсказания свойств кристалла исходя из его хим. состава и структуры. He существует методов расчёта констант гамильтонианов для С. типа смещения или типа порядок — беспорядок; нельзя привести ни одного примера, когда открытие нового С. шло по пути направленного получения вещества с заранее заданными свойствами и темп-рой фазового перехода.
Однако кол-во С. непрерывно увеличивается, гл. обр. за счёт поиска новых материалов среди соединений, близких по составу и структуре к известным С. Появляются и новые классы С.; обнаружено дипольное упорядочение, близкое к сегнетоэлектрическому, в нек-рых типах смектических жидких кристаллов и полимерах; создаются композиционные материалы, свойства к-рых можио направленно изменять, варьируя состав сегнетоэлектрич. наполнителя и полимерной или стеклянной матрицы, а также характера связности.
Применение. С. широко используются в технике. Области их применения связаны с аномально большими значениями е (конденсаторы, вариконды), пиро-, пьезоэлектрических, электрострикционных, электро-оптич. постоянных, обусловленными наличием фазового перехода, а также с использованием явления переключения спонтанной поляризации. Используются не-лииейно-оптпч. свойства С. (CM. Нелинейная оптика).
Большое значение имеет сегнетоэлектрич. керамика, используемая для создания электромеханических и механоэлектрич. преобразователей в широком диапазоне частот. К иим относятся излучатели звука (см. Излучатели звука), датчики микроперемещений, гидрофоны, акселерометры, стабилизаторы частоты В т. Д. (см. Пьезоэлектрические преобразователи). В них в качестве оси. материала служат керамика на основе системы Pb(TiZr)O3 (PZT) с разл. добавками, твёрдые растворы сложного состава с размытым фазовым переходом [напр., Pb(Mg,^Nb^s)03 (PMN) с Tk = 0°С, CM. Пьезоэлектрические материалы].
В микроэлектронике С. пока не нашли столь обширных применений, как полупроводники, поскольку электронные устройства на С. плохо поддаются интеграции. Однако решены нек-рые техиол. проблемы, связанные с получением тонких плёнок С. разного состава (в т. ч. PZT) со свойствами, близкими к монокристаллам. Переключение поляризации в таких плёнках толщиной 50 Ч- 5000А осуществляется малыми электрнч. напряжениями; плёнки могут наноситься на полупроводниковые подложки. Системы оперативной памяти на основе тонких сегнетоэлектрич. плёнок перспективны. В устройствах интегральной оптики используются волноводные каналы иа поверхности С., к-рые создаются путём диффузного легирования кристаллов, гл. обр. нио-бата и таиталата лития.
