Классификация сегнетоэлектрических кристаллов по типу фазового перехода
Возникновение →Ps в сегнетоэлектрическом состоянии тесно связано со структурными изменениями кристаллической решетки при переходе через точку Кюри. По типу фазового перехода сегнетоэлектрические кристаллы можно подразделить на две группы. К первой группе относятся кристаллы, которые претерпевают переход типа «смещения». При таком фазовом переходе →Ps возникает за счет смещения ионов одной подрешетки относительно другой. Типичный представитель этой группы — титанат бария —BaTiO3.
На рисунке показана схема элементарной ячейки BaTiO3:
У титаната бария в неполярной фазе (т.е. при T>Tc, Tc=393K) ион Ti4+ находится в центре кубической ячейки, ионы Ba2+ занимают вершины ячейки. Размер элементарной ячейки a= 4·10−8 см. Ионы O2− расположены в центрах граней куба, т.е. образуют кислородный октаэдр с ионом Ti4+ в центре; октаэдры соединены друг с другом вершинами, а в пустотах между ними находятся ионы Ba2+.
Деформация структуры при фазовом переходе ниже Tc заключается в том, что ион Ti4+ слегка смещается из центра кислородного октаэдра так, что кубическая ячейка становится тетрагональной с отношением осей ca=1,01. Ячейка растягивается в направлении, которое называется осью c и укорачивается в направлении, которое называется осью а (рис. г). При смещении возникает электрический диполь и, следовательно, спонтанная поляризация. Направление спонтанной поляризации может быть параллельным любому из шести эквивалентных направлений. При дальнейшем понижении температуры до ≈273K титанат бария испытывает второе фазовое превращение в ромбическую фазу, а при 193K происходит третье фазовое превращение в ромбоэдрическую фазу. Обе эти фазы являются сегнетоэлектрическими. Со структурными искажениями при этих переходах можно ознакомиться в работе [3]. Такие фазовые переходы называются переходами типа «смещения».
Ко второй группе относятся сегнетоэлектрики с фазовым переходом типа «порядок – беспорядок». В этом случае спонтанная поляризация возникает в результате упорядочивания водородных связей в группах ионов либо самих ионных групп в элементарной ячейке кристалла. К этой группе можно отнести дигидрофосфат калия и сегнетову соль.