Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Краткая теория

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

по дисциплине «Материалы и компоненты

электроники»

Выполнил: Коволевич А.А.

Группа 12-ПЭЛ

Радиотехнический факультет

Сдано «18» апреля 2013г.

Проверила: Кизина О.А.

Тема работы: Статические исследования электрических свойств сегнетоэлектриков.

Цель работы: Изучение основных отличительных свойств сегнетоэлектриков, особенности их структуры и область применения в РЭА и ЗВА. Экспериментальное исследование явления поляризации сегнетоэлектриков, измерение диэлектрической проницаемости и диэлектричес­ких потерь, исследование температурной зависимости этих параметров, оценка технологической точности.

Краткая теория

Сегнетоэлектрики - материалы, обладающие в определенном ин­тервале температур спонтанной поляризацией, направление которой может изменяться при внешних воздействиях.

Зависимость поляризованности Р образца от величины напряжен­ности электрического поля Е для сегнетоэлектриков отличается не­линейностью и при циклическом изменении Е приобретает вид замк­нутой кривой, называемой петлей гистерезиса.

Петля гистерезиса типич­ного сегнетоэлектрика;

Е_с – коэрцетивная сила;

Р_max – максимальная поляризованность сегнетоэлектрика;

Р_s – спонтанная поляризованность;

Р_ост – остаточная поляризованность сегнетоэлектрика;

Участок кривой (ОВ) относится к случаю поляризации образца сегнетоэлектрика с хаотично расположенными доменами, например, имеющему место после термообработки. На участке до точки А функ­ция линейна, как и в обычно диэлектриках. По мере возрастания величины Е домены переориентируются в направлении поля (участок АВ). Затем кривая входит в область насыщения (участок ВС), соответствуют состоянию материала, когда все домены ори­ентированы по направлению поля (однодоменное состояние). При этом наблюдается максимальная поляризованность сегнетоэлектрика. По ме­ре уменьшения величины Е поляризованность изменяется согласно линейному закону по кривой в направлении, указанном стрелкой. При отсутствии внешнего поля (Е=0) остаточная поляризация сох­раняется вследствие преимущественной ориентации векторов поляри­зованностй доменов P_si.

Другим важным параметром сегнетоэлектрических материалов является точка Кюри, т.е. температура, при которой в процессе охлаждения материала возникает спонтанная поляризация» а в про­цессе нагревания исчезает. При этой температуре (Т_к) происходит фазовый переход из сегнетоэлектрического состояния в пароэлект­рическое (когда Р_з=0) и наоборот, в этот момент резко изме­няются диэлектрические, пьезоэлектрические и др. параметры кри­сталлической решетки.

Сегнетоэлектрики имеют максимальную диэлектрическую прони­цаемость при температуре точки Кюри, а при более высокой темпе­ратуре выполняется формула Кюри-Вейса:

=С/(T-Q)

где C – постоянная Кюри;

Q – температура Кюри-Вейса;

У различных сегнетоэлектриков может наблюдаться фазовый пе­реход первого рода, второго рода или размытый фазовый переход. Для первого случая характерно наличие температурного гистерезиса, и выделение скрытой теплоты перехода, а дня последнего -сосуществование обеих фаз (сегнетоэлектрической и паро­электрической в области Кюри, т.е. вблизи температуры Т, где P_s плавно уменьшается, а для наблюдается размытый максимум.

Зависимость спонтанной поляризованности Р_s и диэлектрической проницаемости для сегнетоэлектриков с фазовым переходом первого рода (А), второго рода (В) и размытым фазовым переходом (W). На температурных зависимостях реальных промышленных сегне­тоэлектрических материалов из-за наличия структурных дефектов и химической неоднородности указанные максимумы для P_s всегда несколько размыты. Так, температурная зависимость поликристал­лического титаната бария имеет вид, показанный на рисунке.

Зависимость диэлектрической проницаемости поликристаллического образца BaTiO₃ от температуры.

По структуре, определяющей вид поляризации, сегнетоэлектрики можно разделить на ионные и дипольные. К ионным сегнетоэлектрикам можно отнести соединения со структурой титаната бария BaTiO₃ (Т_к= 120°С), иодата калия KJO₃ (T_к= 210°С), ниобата калия KNB₂O (Т_к= 435°С) и др.

К дипольным сегнетоэлектрикам можно отнести сегнетову соль NaKC₄H₄O₆ * 4H₂O (Т_к= 24 °С ), нитрид натрия NaNO₂ (Т_к= 160°С) и др. Для элементарной ячейки таких материалов характерно наличие двух положений равновесия для от­дельных ионов или групп атомов.

Отдельную группу составляют антисегнетoэлектрики, кристал­лические материалы ионного или дипольного строения, в которых соответственно одноименные ионы в соседних элементарных ячейках (структурных единицах) или соседние диполиориентированы в противо­положных направлениях. При действии сильного электрического поля антисегнетоэлектрик может перейти в состояние с параллельными направлениями элементарных электрических моментов. Следст­вием этого является наличие двойных петель диэлектрического гистерезиса (см.рисунок).

Зависимость поляризованности антисегнетоэлектриков от напряженности переменного электрического поля.

При различных условиях работы нелинейных конденсаторов ис­пользуются отличные друг от друга характеристики емкости:

1).Нормальная. 2).Амплитудная. 3). Эффективная. 4).Реверсивная. 5). Дифференциальная.

Для многих сегнетоэлектриков зависимость от амплитуды напряженности электрического тока Е_а (U_max/L) имеет вид, по­казанный на рисунке:

Влияние амплитуды напряженности переменного электрического тока не величину эффективной диэлектрическое проницаемости сегнетоэлектриков: начальная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика Степень нелинейности и эффективности функции _a) оценивается коэффициентом эффективной нелинейности.

Технология производства сегнетоэлектриков определяется их видом, требуемой частотой и структурой.

Рассмотрим получение титаната-бария и пъезоэлементов на его основе. Титанат бария получается при обжиге смеси двух порошков-двуокиси титана TiO₂ и углекислого бария ВаС0₃ при температуре 1400°С Этот способ подобен технологии производства керамичес­ких изделий, и поэтому титанат бария и сходные с ним сегнетоматериалы, полученные таким способом, называются сегнетокерамикой.

Следующий этап – процесс придания порошкообразной массе титананта бария необходимой форме – называется процессом оформления элементов или деталей. Он может проводиться различными методами:

1).Сухим прессованием; 2).Горячим литьем под давление; 3).Литьем в гипсовые формы.

Затем следует операция окончательного обжига. Она имеет важное значение, т.к. в процессе ее происходит образование монолитного тела. Из полученных керамических заготовок с помощью шлифования изготавливают основы элементов, методом обжигания наносятся эле­ктроды и производится поляризация постоянным электрическим полем.

Сегнетокерамика является поликристаллическим телом с хаоти­чески распределенными полярными осями отдельных кристаллитов. При воздействии сильного постоянного поля материал приобретает сильные пьезокерамические свойства.

Пъезокерамические материалы системы ЦТС могут быть получены двумя способами. По первому способу предварительно синтезируется раздельно цирконат свинца PbZrO₃ и титанат свинца PbTiO₃, подвергается высокотемпературной термообработке. При этом получается твердый раствор цирконата-титаната свинца Pb(ZrTi)O_{3 .}
По второму способу гомогенная смесь всех составляющих оксида свинца PbO, двуокиси циркония ZrO₂ и двуокиси титана TiO₂ подвергается однократной термообработке, при
которой последовательно происходят химические реакции образования PbTiO₃, PbZrO₃ и твердого раствора Pb(ZrTi)O₃.

Таблица 1

Основные электрофизические свойства сегнетоэлектриков

Вид и марка материала.	Тк ,0С	Ԑн	Кэфф	Еmax, кВ/м	Ес, кВ/м	tgδ	Kопг
Титан бария *		-	-	-	80 5	-	0.95
Триглицин-сульфат *		-	-	-	22 7	-	0.90
Цмрконат-титанат свинца (ЦТС)		-	-	-	700 100	-	0.85
ВК -1			7 1	175 5	-	0.02	-
ВК -2			17 2	135 5	-	0.01	-
ВК -3			2 1	75 5	-	0.03	-
ВК -4			12 2	275 5	-	0.02	-
ВК -5			12 8	90 10	-	0.01	-
ВК -6			35 15	550 50	-	0.03	-

Вывод: Изучили основных отличительных свойств сегнетоэлектриков, особенности их структуры и область применения в РЭА и ЗВА. Экспериментально исследовали явления поляризации сегнетоэлектриков.