Сегнетоэлектрики. Что это?

Далеко не все представляют, что стоит за понятием сегнетоэлектрик и явлением сегнетоэлектричества. Однако в обычной своей жизни практически каждый встречается с сегнетоэлектриками почти ежедневно.

Сегнетоэлектрики — вещества, у которых в некотором интервале температур или ниже некоторой температуры возникает спонтанная поляризация Ps при отсутствии внешнего электрического поля. Сегнетоэлектрики представляют обширную группу соединений и твёрдых растворов, обладающих широким спектром характерных явлений и разнообразными физическими свойствами. Поясним, что поляризация Ps возникает тогда, когда центры тяжести положительных и отрицательных зарядов не совпадают (рис.1). Вектор поляризации Ps направлен от отрицательного к положительному заряду.

В конце 20-х годов в Физико-техническом институте И.В. КУРЧА­ТОВЫМ с сотрудниками были начаты исследования кристаллов сегнетовой соли. Игорь Васильевич предложил термины «сегнетоэлектричество» и «сегнетоэлектрики», которые ныне приняты в литературе в России и в ряде других стран (чаще в зарубежной литературе используется другой термин — ферроэлектрики по аналогии с ферромагнетиками).

В процессе исследования было выяснено, что электрические особенности кристаллов сегнетовой соли представляют собой особый класс явлений. Занимаясь в годы войны в Физическом институте АН СССР поиском диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью, Б.М. ВУЛ обнаружил сегнетоэлектрические свойства у титаната бария (BaTiO3 ), открыв тем самым новый этап в истории сегнетоэлектричества. Этот кристалл обладает интересными свойствами. Прежде всего он кристаллизуется в простой структуре перовскита CaTiOБ3 (рис.2).

Кроме того, титанат бария отличается высокой диэлектрической проницаемостью, большим пьезомодулем, удобной для технических применений температурой Кюри (120°С), большой механической прочностью, термической устойчивостью, тогда как сегнетова соль имеет низкую температуру Кюри (24°С), гигроскопична и механически не прочна. Поясним, что температура Кюри — это та температура, при которой кристалл из несегнетоэлектрического состояния переходит в сегнетоэлектрическое.

Ещё одна интересная особенность титаната бария: этот кристалл является многоосным сегнетоэлектриком, т.е. в нём существует несколько возможных направлений спонтанной поляризации — в противоположность сегнетовой соли, которая является одноосной. Поэтому его можно использовать для технических применений в виде поликристаллов (керамики), а не в виде дорогостоящих монокристаллов. При температуре ниже температуры Кюри в кристалле происходят смещения атомов из своего положения, которые они занимали в исходной несегнетоэлектрической фазе. В результате чего искажается кристаллическая ячейка, и центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают, т.е. появляется спонтанная поляризация Ps (рис.3).

Кристалл разбивается на области — домены. При воздействии электрического поля на такой кристалл в нём происходит ориентация доменов, которая сохраняется и после снятия электрического поля. Кроме того, используя обычную керамическую технологию, из поликристаллического титаната бария можно изготовить изделия практически любой формы и размеров. Все эти свойства титаната бария сыграли большую роль в развитии работ по физике сегнетоэлектриков и их техническим применениям.

В течение определенного времени предполагалось, что среди перовскитов титанат бария является единственным сегнетоэлектриком. Но затем в результате исследований российских физиков (Г.А. СМОЛЕНСКОГО, В.А. ИСУПОВА, В.А. БОКОВА, Н.Н. КРАЙНИК) было доказано, что в действительности многие перовскиты переходят в сегнетоэлектрическое состояние.

В Красноярске история исследования сегнетоэлектриков и сегнетоэлектричества берёт своё начало с приезда в Красноярск в 1956 г. молодого кандидата физико-математических наук Кирилла Сергеевича АЛЕКСАНДРОВА. Научная деятельность будущего академика началась в аспирантуре Института кристаллографии АН СССР, после чего К.С. Александров был приглашён в недавно созданный Институт физики АН СССР в Красноярске.

Академиком К.С. Александровым создана активная, растущая научная школа. Среди его учеников пять докторов наук, десятки кандидатов. Практически все работали в Красноярском государственном университете, а в настоящее время работают в СФУ. На протяжении более 25 лет Александров возглавлял кафедру физики твёрдого тела КГУ.

Работы, проведённые под руководством академика К.С. Алек­сандрова, получили мировой приоритет и признание. Были установлены природа и механизмы структурных превращений многочисленных сегнетоэлектрических и родственных кристаллов, обнаружен ряд новых сегнетоэлектрических структур, предложено объяснение последовательностей переходов типа упорядочения (модель двух и более подрешёток, модель с многоминимумным потенциалом) и типа смещения (конденсация нескольких мягких мод разной природы).

Эти работы внесли крупный вклад в понимание природы нестабильности структуры, возможных структурных искажений и связанных с ними изменений диэлектрических, оптических и других свойств многих кристаллов, используемых в современной технике, радио-, акусто- и оптоэлектронике. Они привели также к развитию методик синтеза и направленной модификации свойств твёрдотельных материалов для акусто- и магнитооптических применений, к созданию новых устройств на основе этих материалов.

В настоящее время сотрудниками базовой кафедры физики твёрдого тела и нанотехнологий ИИФиРЭ СФУ ведётся научно-исследовательская работа, связанная с исследованиями в области получения и изучения физических свойств новых сегнетоэлектрических, магнитных и сегнетомагнитных материалов, веществ с фазовыми переходами. Исследования проводятся совместно с лабораториями ИФ СО РАН.

К основным направлениям научных исследований кафедры можно отнести:

>> Физическое материаловедение, материалы для электронной техники (проф. Н.В. ВОЛКОВ);

>> Актуальные проблемы физики диэлектриков, магнитных материалов и наноструктур (проф. Г.С. ПАТРИН и Н.В. Волков);

>> Теоретические и экспериментальные исследования упругих свойств твёрдых тел, сегнетоэлектриков и пьезоэлектриков (доц. П.П. ТУРЧИН и доц. С.И. БУРКОВ);

>> Симметрийная кристаллография физики фазовых переходов в конденсированных средах, рентгендифракционные исследования фазовых переходов в кристаллах (проф. С.В. МИСЮЛЬ).

Молодые сотрудники и аспиранты кафедры (И. САФОНОВ, И. РЫЧКОВ, Р. СЕВРЮКОВ, В. ТУРЧИН) под руководством ведущих профессоров синтезируют и ведут исследования новых сегнетоактивных и родственных материалов.

Сотрудники кафедры под руководством доцента Н.А. ЧЕТВЕРГОВА сконструировали ряд лечебных медицинских устройств, в которых основным элементом является сегнетоэлектрическая керамика. За разработку таких устройств получены несколько патентов на изобретения.

В заключение отметим, что дальнейший прогресс в поиске, исследовании и разработке новых сегнетоэлектрических и родственных материалов и новых принципов их применений будет в значительной мере определять развитие областей современной техники. Исследование этой группы материалов в ближайших десятилетиях будет оставаться на переднем крае науки и техники.

С.В. МИСЮЛЬ, профессор