Основные свойства и характеристические параметры сегнетоэлектриков

К сегнетоэлектрикам относятся кристаллические диэлектрики, обладающие следующими свойствами:

  1. В сегнетоэлектрических кристаллах существует спонтанная поляризация ${\vec P}_{s} $ в отсутствие внешнего поля. Такое состояние кристалла называется полярным (или сегнетоэлектрическим) состоянием. Величина спонтанной поляризации для различных сегнетоэлектриков лежит в интервале $10^{-7}\div 10^{-5} \frac{Кл}{см^2}.$ В обычных щелочно-галоидных кристаллах столь большие значения индуцированной поляризации могут быть достигнуты в полях $10^{7}\div 10^{8} \frac Вм.$
  2. При нагреве кристалла выше точки Кюри $T_{c}$ кристалл из полярного состояния переходит в неполярное (или параэлектрическое) состояние, в котором $\vec P_{S} =0.$ Некоторые кристаллы находятся в полярном состоянии в определенной области температур, поэтому они характеризуются также нижней точкой Кюри. Кристалл в неполярном состоянии является обычным диэлектриком, в котором при приложении внешнего поля возникает обычная индуцированная поляризация (электронная, ионная и ориентационная).
  3. В области фазового перехода происходит резкое изменение величины спонтанной поляризации и диэлектрической восприимчивости, а также некоторых других оптических, механических и тепловых свойств. Сегнетоэлектрики характеризуются высоким значением диэлектрической проницаемости, сильно зависящей от температуры. В области выше фазового перехода температурная зависимость диэлектрической проницаемости аппроксимируется полуэмпирическим законом Кюри — Вейсса $$ \varepsilon \approx \frac{C}{T-T_{0} },$$ где $С$ — константа Кюри; $T_{0}$ — температура Кюри — Вейсса ($T_{c} \approx T_0$, поэтому в дальнейшем мы будем использовать обозначение $T_{c}$ для температуры фазового перехода).
  4. В полярном состоянии кристалл сегнетоэлектрика имеет доменную структуру. В пределах каждого домена дипольные моменты всех элементарных ячеек кристалла, образующие $\vec P_{s}$, ориентированы одинаково, в соседних же доменах векторы $\vec P_{s} $ направлены в произвольных направлениях. Следствием доменной структуры является гистерезисная зависимость между электрической индукцией и полем $\vec D (\vec E)$ и между поляризацией кристалла и полем $\vec P (\vec E).$

В настоящее время известно более ста веществ, обладающих сегнетоэлектрическими свойствами. Наиболее широко известны кристаллы сегнетовой соли, дигидрофосфата калия и титаната бария, характеристические параметры для которых приведены в табл. 1 ($T_{c}$ — температура Кюри; $P_{s}$ — спонтанная поляризация (при указанной в скобках температуре); $C$ — константа Кюри).

Таблица 1

Сегнетоэлектрические кристаллы

Наименование Химическая формула $T_{c}$, K $P_{s}$ $10^{-6}\frac{Кл}{см^{2}}$ $C$, K
Сегнетова соль NaKC${}_{4}$H${}_{4}$O${}_{6}$·4H${}_{2}$O 297 (верхняя)
255 (нижняя)
0,25 (268 K) $2,2\cdot 10^{3}$
Дигидрофосфат калия KH${}_{2}$PO${}_{4}$ 123 4,75 (96 K) $3,3\cdot 10^{3}$
Титанат бария BaTiO${}_{3}$ 393 26,0 (296 K) $1,5\cdot 10^{5}$