Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» (национальный исследовательский университет) (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Энергомашиностроение Факультет____________________________________________________ Кафедра______________________________________________________ Плазменные энергетические установки Реферат Cтудент _____________________________________________________ Аристархов Денис Андреевич Группа _________________ Э8-61 ТГРУ Название дисциплины _________________________________________________ Диэлектрические свойства твердых тел Название лабораторной работы __________________________________ Телех В.Д. Преподаватель________________________ Фамилия И.О. Москва 2021 1 ___________ подпись ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 3 ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ................................................................................................... 4 1 Диэлектрик и диэлектрические свойства твердого тела ...................................... 4 1.1 Отличительные особенности диэлектрика ......................................................... 4 1.2 Электропроводность ............................................................................................. 5 1.3 Поляризация и диэлектрическая проницаемость .............................................. 7 2 Классификация и применение твердых диэлектриков ......................................... 8 2.1 Структура классификации .................................................................................... 8 2.2 Пьезоэлектрики ................................................................................................... 10 2.3 Пироэлектрики .................................................................................................... 11 2.4 Сегнетоэлектрики и антисегнетноэлектрики ................................................... 12 2.5 Электреты............................................................................................................. 14 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 16 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ............................................... 17 2 ВВЕДЕНИЕ В этом реферате рассмотрены диэлектрические свойства твердых тел. Описаны различные свойства и структуры каждого вида твердого диэлектрика. Для каждого диэлектрика обоснованы области его применения. Долгие годы диэлектрические твердые тела применялись в основном как изоляторы, поэтому наибольшее практическое значение имели их малые электропроводности и диэлектрические потери, высокая электрическая прочность. Такие вещества называют пассивными диэлектриками. Они и по сей день используются в силовой энергетике в качестве массивных изоляторов, а также в виде изоляционных тонких слоев и пленок в слаботочной и твердотельной электронике. Ряд диэлектриков находит применение в квантовой электронике, в частности в оптоэлектронике для создания активных элементов лазеров, голографических устройствах, в инфракрасной технике. Эту разнообразную массу диэлектрических материалов составляют активные диэлектрики. В данной работе будет сконцентрировано внимание именно на активных свойствах диэлектриков, так как эти именно эти свойства лежат в основе всей современной электроники и приборостроения. 3 ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 1 Диэлектрик и диэлектрические свойства твердого тела 1.1 Отличительные особенности диэлектрика Согласно зонной теории твёрдых тел, в зависимости от степени заполнения электронами зон проводимости и ширины запрещённой зоны, вещества ведут себя либо как проводники, либо как полупроводники или диэлектрики. Возможны четыре различных случая, представленных на рисунке 1. Рисунок 1 – возможные случаи заполнения энергетических зон Диэлектриками являются неионизированные газы, а также жидкости и твёрдые тела, характеризующиеся полностью заполненной электронами валентной зоной [1]. В диэлектрике носителю заряда не хватает энергии Ферми для преодоления запрещенной зоны. Главным физическим свойством, которое объединяет все виды диэлектриков является их особенное поведение в электрическом поле. В диэлектриках происходит ограниченное в пространстве смещение электрических зарядов – поляризация, и при этом практически отсутствует перемещение зарядов через вещество – электропроводность [2]. Носителями тока в диэлектриках, находящихся в обычных условиях, обычно служат ионы, реже электроны. В твёрдых диэлектриках преобладает миграция частиц с зарядом одного знака – катионная или анионная униполярная проводимость. В реальных диэлектриках всегда имеется некоторое количество свободных носителей заряда, но их концентрация исключительно мала. В то же время при наличии в диэлектрике примесных атомов свободные носители заряда могут 4 появиться за счет тепловой генерации. Поэтому при нормальных и низких температурах проводимость в диэлектриках является примесной. Если примесь имеет донорный характер, то основными носителями заряда будут электроны, а неосновными — дырки. Такой диэлектрик по аналогии с полупроводниками называют электронным, или диэлектриком Если n-типа. же примесь акцепторная, то основными носителями заряда будут дырки. В этом случае диэлектрик называют дырочным, или р-типа. Пробой в диэлектриках может носить либо тепловой, либо электрический лавинный характер. Проводимость и пробивное напряжение у диэлектриков сильно зависят от чистоты и структуры вещества. Электрические электрических свойства зарядов в нем. диэлектрика К ним, отражают главным перемещение образом, относятся электропроводность, поляризация и диэлектрическая проницаемость. 1.2 Электропроводность Для диэлектриков собственную проводимость 𝜎 можно представить в виде электронной и дырочной составляющих: 𝜎 = 𝑒𝑛𝜇𝑛 + 𝑒𝑝𝜇𝑝 , (1) где е — заряд электрона; п и р — концентрация электронов и дырок соответственно; а 𝜇𝑛 и 𝜇𝑝 — величины, называемые подвижностью носителей заряда. В случае примесной проводимости вклад в электропроводность дает только один сорт носителей. 5 Электропроводность диэлектрика, очевидно, зависит от приложенного электрического поля. Хотя в сильных полях линейность зависимости плотности электрического тока от напряженности электрического поля может нарушаться (рисунок 2), плотность при низкой напряженности пропорциональна ей: 𝑗 = 𝜎𝐸, (2) где j – плотность тока; σ – проводимость; E – напряженность электрического поля. Рисунок 2 – зависимость плотности тока от напряженности электрического поля [2] 6 Зависимость проводимости от температуры в диэлектриках достаточно хорошо описывается выражением: 𝜎 = 𝜎0 exp ( ∆𝐸 ), 𝑘𝐵 𝑇 (3) где σ0 — проводимость при абсолютном нуле температур; ∆𝐸 — энергия активации, которая имеет смысл энергетического барьера, который необходимо преодолеть носителю заряда для перехода из связанного в свободное состояние. В случае ионной проводимости, а также при переносе тока заряженными макрочастицами молионами наблюдается заметная частотная зависимость. 1.3 Поляризация и диэлектрическая проницаемость Поляризация – явление, вследствие которого электрическая индукция в диэлектриках оказывается больше, чем в вакууме [2]. Если поместить диэлектрик в пространство между металлическими электродами, то величина электрической индукции будет равна: 𝐷 = 𝜀0 𝐸 + 𝑃, где 𝜀 – электрическая (4) постоянная, характеризующая абсолютную диэлектрическую проницаемость вакуума; E – напряженность между электродами; P – поляризованность. Поляризованность – удельный электрический момент, отнесенный к объему поляризованного диэлектрика. Способность диэлектрика к поляризации во внешнем электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε. Она показывает, во сколько раз индукция в диэлектрике больше, чем в вакууме. Диэлектрическая проницаемость зависит от рода диэлектрика, но она может 7 зависеть и от напряженности электрического поля, если напряженность достигает высоких значений. На рисунке 3 можно пронаблюдать зависимость электрической индукции в диэлектрике от напряженности электрического поля в сравнении с вакуумом. Физическая природа эффекта поляризации заключается в смещении электрического заряда в диэлектрике под действием внешнего поля и появлении электрического момента. Рисунок 3 – Зависимость электрической индукции от напряженности магнитного поля 2 Классификация и применение твердых диэлектриков 2.1 Структура классификации За основу классификации диэлектриков принимается вид и особенности их поляризации. Именно это их свойство является наиболее характерным в рамках современной физики и технологии. Помимо этого, стоит учитывать и структуру диэлектриков: газ, жидкость или твердое тело. В данной работе остановимся только на классификации твердых диэлектриков (рисунок 4). Подробное 8 описание будет даваться только самым важным в современной науке и технологии видам диэлектриков. Рисунок 4 – классификация твердых диэлектриков [2] 9 Понятия пьезоэлектрик, электрет, пироэлектрик и сегнетоэлектрик связаны следующим образом: любой монодоменный сегнетоэлектрик является пироэлектриком, а любой пироэлектрик является в то же время пьезоэлектриком (но не наоборот). Точно так же любой электрет должен проявлять пьезоэлектрические (но не пироэлектрические) свойства, а из любого пироэлектрика в принципе можно приготовить электрет, если очистить его поверхность (получить «свежий» скол кристалла), понизить электропроводность (исследовать кристалл при низких температурах) или применить другие, конкретные для каждого кристалла, меры. Данная классификация очень условна. Она лишь отражает определенные свойства некоторых диэлектриков, внутри нее нет четких границ. Данная схема больше нужна для изучения некоторых важных свойств, которые определяют применение диэлектриков в технологии. 2.2 Пьезоэлектрики Пьезоэлектрики – диэлектрики, в которых наблюдается пьезоэффект, то есть те, которые могут под действием деформации индуцировать электрический заряд на своей поверхности (прямой пьезоэффект), или те, которые под влиянием внешнего электрического поля могу деформироваться (обратный пьезоэффект). Оба эффекта открыты братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880—1881 гг [3]. Пьезоэлектрики широко используются в современной технике в качестве элемента датчика давления. Существуют пьезоэлектрические детонаторы, источники звука огромной кварцевые резонаторы мощности, для миниатюрные высокостабильных трансформаторы, генераторов частоты, пьезокерамические фильтры, ультразвуковые линии задержки. Наиболее широкое применение в этих целях кроме кристаллического кварца получила поляризованная пьезокерамика, изготовленная из поликристаллических сегнетоэлектриков, например, из цирконата-титаната свинца. Схема, отражающая пьезоэлектрические свойства, показана на рисунке 5. 10 Рисунок 5 – схема пьезоэлектрического эффекта Пьезоэлектрикичество – важная область изучения в современной функциональной микроэлектронике. 2.3 Пироэлектрики Если внутренние дипольные моменты кристалла меняются, то внешнее поле становится заметным, потому что блуждающие заряды не успевают собраться и нейтрализовать поляризационные заряды. Если диэлектрик находится в конденсаторе, свободные заряды индуцируются на электродах. Моменты могут, например, измениться вследствие теплового расширения, если нагреть диэлектрик. Такой эффект называется пироэлектричеством [4]. Аналогично, если менять напряжения в кристалле, скажем, сгибая его, то момент может снова немного измениться, и тогда обнаружится пьезолектрический эффект. Для кристаллов, не обладающих постоянным моментом, можно развить теорию диэлектрической проницаемости, куда включается электронная поляризуемость атомов. Некоторые кристаллы имеют внутренние моменты, и 11 вращение их также вносит вклад в поляризумость. В ионных кристаллах, таких, как NaCl, возникает также ионная поляризуемость. Кристалл состоит из положительных и отрицательных ионов, расположенных в шахматном порядке, и в электрическом поле положительные ионы тянутся в одну сторону, а отрицательные – в другую; возникает результирующее смещение положительных и отрицательных зарядов, а, следовательно, и объемная поляризация. Зная жесткость кристаллов соли, можно оценить величину ионной поляризуемости. 2.4 Сегнетоэлектрики и антисегнетноэлектрики В классификационной схеме среди центросимметричных кристаллов выделены так называемые параэлектрики. Их особенность заключается в температурной зависимости диэлектрической проницаемости, которая изменяется по закону Кюри-Вейсса: ε ~ С(Т – θ). По мере охлаждения параэлектрика и приближения к кристаллической температуре его симметрия может измениться, если происходит фазовый переход в новое состояние – сегнетоэлектрическое или антисегнетоэлектрическое. Сегнетоэлектрик – материал, обладающий спонтанной поляризацией, ориентацию которой можно изменить посредством внешнего электрического поля. Такие вещества обладают сегнетоэлектрическим гистерезисом, когда поляризация материала зависит неоднозначно от внешнего электрического поля. Антисегнетоэлектрики – диэлектрики, имеющие спонтанно- поляризованные элементарные ячейки, направления спонтанной поляризации в которых антипараллельны (в отличие от сегнетоэлектриков, обладающих макроскопической спонтанной поляризацией). Для сегнетоэлектрических кристаллов часто наблюдается несколько температур фазовых перехода и гистерезис доменной структуры, как и для ферромагнитных кристаллов. Природа фазового перехода в некоторых сегнетоэлектрических кристаллах до сих пор не изучена. В 2010 году Дэвид Филд обнаружил, что пленки обычных химических веществ, таких как закись азота или 12 пропан, также проявляют сегнетоэлектрические свойства. Этот новый класс сегнетоэлектрических материалов демонстрирует «спонтанную поляризацию», а также влияет на электрическую природу пыли в межзвездной среде. Интерес также представляют материалы, которые сочетают одновременно сегнетоэлектрические и металлические свойства при комнатной температуре. Согласно исследованию, опубликованному в 2018 году в Nature Communications, ученые смогли создать двумерную плёнку такого материала, который был одновременно «сегнетоэлектрическим» (имел полярную кристаллическую структуру) и проводил электричество. Зависимость поверхностной плотности носителей заряда от температуры сегнетоэлектрического слоя можно увидеть на рисунке 6. Рисунок 6 – Зависимость плотности носителей заряда от температуры [5] 13 Сегнетоэлектрики применяются для изготовления переменных конденсаторов (варикондов). Такие конденсаторы отличаются существенно нелинейными свойствами. Некоторые сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики имеют очень выраженный электрооптический эффект. Он состоит в изменении показателя преломления среды, вызываемый внешним электрическим полем. Данные свойства сегнетоэлектриков используют для модуляции излучения лазеров, которое делают с помощью поля, которое приложено к кристаллу. 2.5 Электреты Электрет – кусок диэлектрика, обладающий квазипостоянным электрическим зарядом [6]. Термин «квазипостоянный» означает, что заряд квазипостоянен по времени. Электрет, не покрытый металлическими электродами, может создавать внешнее электростатическое поле. Это будет происходить, если поляризационные и реальные заряды не скомпенсируют друг друга в каждой точке диэлектрика. На рисунке 7 можно увидеть разрез электрета. Рисунок 7 – Схематический разрез электрета с одной металлической поверхностью, в котором созданы следующие заряды: осажденные на поверхности, помещенные внутрь, связанные внутри ориентированных диполей, компенсационные. 1 – диэлектрик, 2 – металлический электрод, 3 – поверхностные заряды, 4 – объемные заряды, 5 – дипольные заряды, 6 – компенсационные заряды [6] 14 Электреты применяют как источники постоянного электрического поля (электретные микрофоны и телефоны, вибродатчики, генераторы слабых переменных сигналов, электрометры, электростатические вольтметры и другие), а также как чувствительные датчики в дозиметрах, устройствах электрической памяти; для изготовления барометров, гигрометров и газовых фильтров, пьезодатчиков и других. Фотоэлектреты используют в электрофотографии. Свойствами электретов обладают биополимеры, которые входят в состав клеточных мембран, ферментов, костей и т. д. Этими полимерами являются полинуклеотиды, полисахариды, полипептиды и другие сложные соединения тканей и органов. 15 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В современном приборостроении и науке твердые диэлектрики занимают важную роль. Начиная с конца 19 века идет интенсивное изучение их свойств, на которых сейчас основана вся микроэлектроника, многие медицинские и научноисследовательские устройства и приборы. Пассивное свойство диэлектриков – такое как изолирующая способность, например, до сих пор нужно для изоляции электрических схем с целью не допустить утечку электрического заряда. Но с движением научно-технического прогресса, диэлектрические свойства твердых тел стали цениться за их активные свойства, такие как накопление заряда, его индуцирование, электрооптические эффекты диэлектриков. Все эти активные свойства обязаны явлению поляризации, которая имеет свои особенности у каждого диэлектрического материала. Все эти особенности выражены типами и механизмами поляризации, о которых было упомянуто в данной работе. 16 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Кикоин И.К. Таблицы физических величин. М.:Атомиздат, 1976 год, с. 1009. 2. Поплавко Ю. М. Физика диэлектриков. — Киев: Вища школа, 1980. — 400 с. 3. Иоффе АФ. Пьер Кюри (рус.) // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 1956. — Т. 58, № 4. с. 571-579 4. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М., Фейнмановские лекции по физике, пер. с англ., 5, М., 1966, с. 226; 5. Cao, Yanwei (18 April 2018). “Artificial two-dimensional polar metal at room temperature”. Nature Communications. 6. Электреты / Под ред. Сесслера Г. — М.: Мир. — 1983. — 487 с. 7. Орешкин П.Т. Физика полупроводников и диэлектриков. Учеб. пособие для специальности «Полупроводники и диэлектрики» вузов, М., «Высшая школа», 1977, 448 с. 17
