Фазовий розмірний ефект піроелектричного відгуку тонких сенгетоелектричних плівок

Управління освіти і науки Волинської облдержадміністрації

Волинське відділення Малої академії наук України

Нововолинська загальноосвітня школа І-ІІІ ступеня №8

Нововолинської міської ради Волинської області

 

 

Фазовий розмірний ефект піроелектричного відгуку тонких сенгетоелектричних плівок

 

 

Роботу виконала

Ткачук Олександра Вікторівна

учениця 11 класу

Нововолинська загальноосвітня

школа І-ІІІ ступеня №8

Нововолинської міської ради

Волинської області

Науковий керівник

Слободян Василь Іванович

учитель фізики

Нововолинська загальноосвітня

школа І-ІІІ ступеня №8

Нововолинської міської ради

Волинської області

спеціаліст вищої категорії

 

 

 

 

Нововолинськ

2020

 

Анотація

У  дослідницькій роботі розглянуто основні електрофізичні властивості, теорію і практичне застосування піроелектриків на основі тонких сенгетоелектричних плівок

 Проаналізовано сучасні уявлення про симетрію та структуру розглянутих нецентросиметричних кристалів, текстур і композитів.

Подано відомості про вплив структури на властивості в сучасному й перспективному застосуванні цих матеріалів.

Розглянуто проблема побудови феноменологічної теорії впливу розмірних та кореляційних ефектів на полярні властивості та фазові діаграми наносегнетоелектриків.

Обґрунтовано науково-теоретичні основи використання сегнетоелектричних об’єктів, наприклад, виготовлених у вигляді нанопорошків, нанокомпозитів або тонких плівок, є можливим як пригнічення, так і покращення їх сегнетоелектричних властивостей, а також виникнення сегнетоелектричних властивостей в віртуальних сегнетоелектриках та антисегнетоелектриках. Доведено, що магнітоелектричний зв’язок приводить до виникнення якісно нових ефектів при зменшенні розмірів сегнетоелектриків-(анти)феромагнетиків.

Одержані в роботі результати можуть виявитися корисними у побудові й

теоретичному обґрунтуванні моделей електронних процесів  в інших

монокристалічних напівпровідниках.

 

 

Ключові слова: сегнетоелектричні наноматеріали, розмірні ефекти сегнетоелектриків та мультифероїків, фазові діаграми, полярні, діелектричні та піроелектричні властивості.

 

Мотиваційний лист

Доброго дня! Мене звуть Ткачук Олександра Вікторівна учениця 11 класу Нововолинська загальноосвітня школа І-ІІІ ступеня №8 Нововолинської міської ради Волинської області.Навчаючись в 11 класі я вивчаю ряд шкільних предметів, але готуючись до турніру з фізики мені довелось опрацювати велику кількість  літератури і матеріалів відповідно до запропонованих питань.У ході підготовки я зустріла пояснення фізичних основ роботи багатьох приладів, що на перший погляд не пов’язані між собою. При спілкуванні з друзями я зрозуміла що багатьо моїм ровесникам  ці питання цікаві але не до кінця зрозумілі. Тоді я вирішила дослідити ці явища глибшею Це і спонукало до наукового дослідження.

Хочу вірити що дані фізичні явища визнать напрямок моєї діяльності надалі.

Адже кожен із нас прямо або опосередковано користується практичним втіленням цих процесів.   

 

 

Вступ

 

Піроеле́ктрик  — речовина, в якій існує спонтанний електричний дипольний момент. Кристалічні діелектрики, що володіють спонтанною (мимовільною) поляризацією, тобто поляризацією під час відсутності зовнішніх впливів. 

Піроел е ктрики (від грец. Pýr - вогонь), кристалічні діелектрики , що володіють спонтанною (мимовільної) поляризацією, т. Е. Поляризацією в відсутності зовнішніх впливів. Зазвичай спонтанна поляризація П. не помітна, так як електричне поле, створюване нею, компенсується полем вільних електричних зарядів, які «натекает» на поверхню П. з його обсягу і з навколишнього повітря. При зміні температури величина спонтанної поляризації змінюється, що викликає появу електричного поля, яке можна спостерігати, поки вільні заряди не встигнуть його компенсувати. Це явище називається піроелектричні ефектом .

  Типовий П. турмалін. У ньому при зміні температури на 1 ° С виникає поле Е ~ 400 в / см. Зміна спонтанної поляризації і поява електричного поля в П. може відбуватися не тільки при зміні температури, але і при деформації П. Т. о., Все П. - п'єзоелектрики, але не навпаки

 П’єзоелектричний ефект розглядається як явище п’єзоелектрики та основні властивостей і технічного застосування п’єзоелектричних матеріалів. Інформація подана широко, послідов- но на сучасному науково-технічному рівні. П’єзоелектричний ефект було відкрито П’єром і Жаком Кюрі у 1880 р. Перше технічне застосування п’єзоефекту було здійснено П. Ланжевеном у 1920 році – він створив ультразвуковий перетворювач для передачі і прийому інформації у воді, який став прообразом сучасних ультразвукових випромінювачів, що використовуються для навігації у підводних човнах, а також для виявлення косяків риб і в інших цілях. Трохи пізніше У. Кеді розробив п’єзоелектричні фільтри для застосування у телефонії. Натепер галузь практичного застосування приладів і пристроїв, що використовують у своїх конструкціях п’єзоефект, постійно розширюються. Деякі вироби, як, наприклад, годинники, фотоапарати, мобільні телефони, телевізори, комп’ютери та п’єзозапальнички стали предметами повсякденного побуту. Важко навіть перерахувати різні електронні пристрої, неможливі без вико- ристання п’єзоелементів. Це випромінювачі та антени у гідроакустиці, стабілізатори частоти у комп’ютерах, радіотехнічних пристро- ях і еталонах часу, електричні фільтри та лінії затримки в радіо- і телефонному зв’язку, датчики для вимірювання прискорень, рівня вібрації, акустичної емісії для неруйнівного контролю,  п’єзотрансформатори і п’єзодвигуни, медична ультразвукова томографія і медичні інструменти різного призначення, тощо. П’єзоелектричні матеріали знаходять застосування в широкому діапазоні пристроїв (датчики, приводи, перетворювачі тощо), які виграють важливу роль в різних областях – таких, як управління виробничим процесом, моніторинг навколишнього середовища, комунікації, інформаційні системи, медичне устаткування і т.д. Область застосування п’єзоелектриків продовжує зростати і разом з ним зростає попит на п’єзоматеріали з поліпшеними характеристиками, особливо – на матеріали з урахуванням продуктивності для конкретних застосувань. П’єзоелектричні матеріали включають в себе об’ємну кераміку, керамічні тонкі плівки, багатошарову кераміку, монокристали, полімери та керамічно-полімерні композити. В останні роки велике число різноманітних п’єзоелектричних плівкових матеріалів були розроблені і випробовуються для використання у різних мікросис- темах і мікроелектронних компонентах. Знайдено, що плівкові та об’ємні п’єзоелементи вигідно застосовувати у надвисокочастотних пристроях. Нова релаксорно-сегнетоелектрична кераміка і кристали демонструють надзвичайно високу п’єзоелектричну ефективність перетворення енергії, що представляє інтерес, зокрема, для медич- них пристроїв візуалізації і для інших застосувань, таких, як спеціа- льні приводи промислового неруйнівного контролю. П’єзоелектрики використовуються у сучасній енергетиці, на- приклад, як п’єзодвигуни високої потужності (до речі, вперше роз- роблені в НТУУ «КПІ»). Інші цікаві приклади сучасного застосу- ванням п’єзоелектриків:  демпфери – гасники вібрацій – для вертольотів та літаків, зокрема розроблена така конструкція підшипника, в якій тертя зни- щується вібрацією, для створення якої не потрібно спеціальних механізмів (втулки підшипника виготовляються з п’єзоелектричного матеріалу, електрична напруга змушує п’єзоелектрики стискатися і розширятися, створюючи вібрацію, яка нищить тертя);  для економії енергії (і, отже, палива) на реактивних літаках встановлюються п’єзоперетворювачі, в яких в електроенергію без посередньо перетворюються коливання і вібрація фюзеляжу і крил, або механічне стискання та зняття напруження на дорогах для отримання електроструму (Ізраїль);   розроблено світлофори, батареї яких заряджаються від шуму автомобілів на перехресті;  проводилися експерименти перетворення енергії морських хвиль в електрику (припливні електростанції в США);  експериментально працює п’єзоелектрична система на пе- ронах залізничних станцій для перетворення енергії коливань, створюваних пасажирами (коливання платформи перетворюються в електрику, Японія). П’єзоефект широко використовує сучасна мікроелектроніка:  у мініатюрних п’єзовипромінювачах, що ефективні на висо- ких частотах та мають невеликі габарити (такі, наприклад, встанов- люються у дитячі іграшки та музичні листи),  у системах надточного позиціонування, наприклад у системі позиціонування голки в скануючому тунельному мікроскопі або для позиціонерів переміщення головки жорсткого диску комп’ютера;  для подачі чорнила в широкоформатних принтерах, що друкують на сольвентному чорнилі і чорнилі з ультрафіолетовим затвердінням; Виник науковий напрямок – п’єзоелектроніка. Серед сучасних застосувань п’єзоелектронних приладів слід виокремити особливо актуальні напрями:  тонкі п’єзоелектричні плівки, інтегровані з напівпровідниками;  мікросистеми, що поєднують сенсори, процесори й актюатори;  надвисокочастотні компоненти на основі активних діелектриків;  наноструктурні п’єзоелектрики, на основі яких планується отримати різноманітні електронні пристрої. Сучасні напрямки п’єзоелектроніки мають одне із завдань пе ретворення практично будь-якого руху в електричний струм. На приклад, перетворення енергії руху людини в енергію живлення різних електронних приладів (спеціальні п’єзокостюми, що розроблюються для солдатів дозволять використовувати вироблений їх рухом електричний струм і тим самим позбавитися від зайвої ваги акумуляторів). Значні переваги віддаються нанотехнології: встановлено, що в міру зменшення розмірів п’єзоелектричного перетворювача його здатність виробляти енергію зростає. Експериментально показано, що наночастинки розміром близько 20 нанометрів виробляють у два рази більше струму, ніж монолітний п’єзоелектрик. Вже запропоновані десятки способів застосування нанотехнологій – від зарядки енергією мобільного телефону від голосу споживача і до пристрою, що дозволяє читання людські думки (що вкрай важливо для нейрології). Функціональні призначення п’єзоелементів, розташованих у годинниках, п’єзозапальничках, телевізорах і мобільних телефонах різноманітні, проте в основі їх пристроїв лежить одне і те ж фізичне явище – п’єзоелектрика, тобто здатність деяких кристалів, кераміки та текстур за зміною розмірів або форми продукувати електрику. І навпаки, змінювати розміри або форму під дією електричної напруги.

 

Основна частина

  Якщо нагрівати сегнетоелектрик, то при певній температурі спонтанна поляризація в ньому зникне і кристал переходить в непіроелектріческое стан (фазовий перехід). В області температур, близьких до температури фазового переходу, величина спонтанної поляризації різко змінюється зі зміною температури, так що піроелектричний ефект в цій області особливо великий.

Існує ефект, зворотний піроелектричного: якщо піроелектрик помістити в електричне поле, то його поляризація змінюється, що супроводжується нагріванням або охолодженням кристала. Зміна температури при цьому прямо пропорційно напруженості електричного поля:  T ~ Е. Це явище називається лінійним електрокалоріческім ефектом. Існує і квадратичний електрокалоріческій ефект, коли зміна температури ~ E ² .

  Піроелектрики  використовуються в техніці в якості індикаторів і приймачів випромінювань. Їх дія заснована на реєстрації електричних сигналів, що виникають в П. при зміні їх температури під дією випромінювання  (див. Піроелектричний приймач ) .

 П’єзоефект спостерігається (і його часто застосовують) також у текстурах – однорідних твердих середовищах з орієнтованими полярними «структурними елементами» та у п’єзоелектричних композитах, що складаються з різних п’єзоелектричних (і не п’єзоелектричних) матеріалів. У фізиці твердого тіла механічні, і електричні властивості ді- електриків вивчають здебільшого як незалежні. Однак електричні та механічні властивості п’єзоелектриків, завдяки їх особливій будові, взаємно обумовлені. Тому перш ніж розглядати взаємні (електроме- ханічні) властивості варто зупинитися на механічних та електрич- них властивостях твердих тіл. Механічні властивості ві

До активних діелектриків відносяться  піроелектрики, тобто діелектрики, що володіють піроелектричні ефектом. Піроелектричний ефект полягає в зміні спонтанної поляризованности діелектриків при зміні температури . До типовим лінійним Піроелектріки відносяться турмалін і сульфат літію. Піроелектріки спонтанно поляризовані, але на відміну від сегнетоелектриків напрямок їх поляризації не може бути змінено зовнішнім електричним полем . При незмінній температурі спонтанна поляризованность піроелектрика скомпенсирована вільними зарядами протилежного знака за рахунок процесів електропровідності і адсорбції заряджених частинок з навколишньої атмосфери. При зміні емператури спонтанна поляризованность змінюється, що призводить до звільнення деякого заряду на поверхні піроелектрика, завдяки чому в замкнутому ланцюзі виникає електричний струм.

Піроефект використовується для створення теплових датчиків і приймачів променевої енергії, призначених, зокрема, для реєстрації інфрачервоного і СВЧ-випромінювання.

Значним піроефект володіють деякі сегнетоелектрічеськие кристали, до числа яких відносяться ніобат барію-стронцію, трігліцинсульфата - ТГС, ніобат і танталат літію.Піроелектричний ефект проявляється також у поляризованої , тобто підданої дії постійного електричного поля, сегнетокераміки, а також у деяких полімерів, наприклад у поляризованих полівінілденфторида і полівініліденхлоріда.

Відзначимо найбільш важливі групи піроелектриків. До першої групи належать сегнетоелектрики. Однак для використання їх піроелектричних властивостей вони повинні бути монодоменізіровани. У свою чергу монодоменізація може бути досягнута в процесі вирощування сегнетоелектриків або іншими способами, включаючи температурну поляризацію. До найважливішим Піроелектріки цього класу матеріалів відноситься трігліцинсульфата ТГС і ізоморфні йому з'єднання зі спеціальними добавками для монодоменізаціі, ніобат і танталат літію, тонкі плівки нітрату калію в сегнетофазе, керамічні титанат свинцю і цирконат-титанат свинцю з різними добавками. Всі ці матеріали є нелінійними діелектриками, в яких пірокоеффіціент, обумовлений первинним піроефект, досягає максимуму поблизу точки Кюрі.

Друга група піроелектриків - це лінійні піроелектрики, напрямок спонтанної поляризації в яких однаково по всьому об'єму кристала і не може бути змінено електричним полем. Спонтанна поляризація Р _з в таких кристалах не знімається до нуля, як в сегнетоелектриках. До таких Піроелектріки відносяться з'єднання типу А ^II B ^VI зі структурою вюрцита, наприклад, монокристали CdS, а також сульфат літію, тетраборат літію та ін. В пірокоеффіціентах цих кристалів спостерігається істотний вклад не тільки від первинного, а й від вторинного п'єзоефекту.

До третьої групи відносяться плівкові полярні полімери типу ПВДФ, які дуже перспективні завдяки можливості отримання з них тонких, еластичних, міцних плівок.Піроелектричні властивості плівка набуває після її розтягування в 3 -5 разів і поляризації при температурі близько 130 ⁰ С в поле близько 1 МВ / см. Деякі порівняльні характеристики ряду найважливіших піроелектриків наведені в таблиці (по Резу І.С. і Поплавко Ю. М).

                                                                                      

матеріал	Р , мкКл / (м 2 К)	α	tg α	P /м2
сульфат літію	100	10	10 -3	10
танталат літію	180	45	10 -3	4.0
п'єзокераміка ЦТСЛ	400	400	5 * 10 -2	1.0
плівка ПВДФ	35	6.2	10 -2	5.7
ПВДФ трифторетилен	50	5.3	10 -2	4.5
ТГС	330	30	5 * 10 -3	11
l - ДАТГСФ	395	30	3  10 -3	13

 

Примітка. ПВДФ - полівініліденфторид; ТГС - трігліцинсульфата; l-ДАТГСФ - дейтерированного ТГС, легований l-аланином і фосфорною кислотою.

 

Відмінною особливістю піропріемніка, призначених для реєстрації теплового і електромагнітного випромінювання, є низький коефіцієнт шумів і широкий спектральний діапазон випромінювань на частотах 10 ^10-10 ²⁰ Гц (від сантиметрових хвиль до мм- променів). Так як піроелектрики реагують тільки на змінну частину потоку випромінювання, то модуляція потоку може досягати 10 ⁶ Гц. Діапазон потужностей випромінювання від 10 ^-9 до 10 ²⁰ Вт.

Піроелектричні детектори застосовуються для дослідження пучків нейтронів, протонів і дейтронів в експериментах з термоядерного синтезу, для вивчення імпульсного і стаціонарного і рентгенівського випромінювань і як вимірювачі потужності і енергії лазерів оптичного діапазону, включаючи УФ та ІЧ.

У вимірювальній техніці піроелектричні приймачі застосовуються у вигляді теплових приймачів, побудованих за моделлю абсолютно чорного тіла. Вимірювальні приймачі випромінювання, побудовані у вигляді матриць, що складаються з 10 ^3-10 ⁵ елементів, дозволяють досліджувати просторове розподіл випромінювань.

Піроелектріки знаходять застосування в тепловидения (інфрачервоному або радіаційному), що має велике значення в медицині і техніці. Пірокони (піроелектричні відікони теплові передавальні телевізійні трубки) застосовуються для контролю різноманітних технологічних процесів. Наведемо короткий перелік можливих застосувань відіконов:

    -оцінка станів високовольтних ліній передачі за даними вертолітної ІК - зйомки;    

 -перевірка однорідності ізоляції потужних електричних машин;    

 автоматизований технологічний контроль електронних компонентів - (конденсаторів, резисторів, НВІС) під навантаженням;    

 -застосування піроконов в медицині для діагностики глибинних латентних запальних процесів і т.п .;    

-вивчення характеристик випромінювання лазерів;    

-ІК картрірованіе Землі з ШСЗ, планет і комет з космічних зондів і т.п.    

У теплометрії перетворювачі на піроелетріках для вимірювання температури, теплоємності, теплопровідності, теплообміну і т.д. мають граничну чутливість порядку 10 ^-7К.

Використання електрокалорчногого ефекту (ефект зворотний піроефекту) дає можливість отримати низькі температури в інтервалі температур від рідкого азоту до фреонових температур при використанні сегнетоелектричних матеріалів. Рекордні величини електрокалоріческого ефекту (2,6 ^о C ) поблизу ФП спостерігалися в антисегнетоелектричні кераміці системи цирконат-станат-титанат свинцю і в кераміці скандоніобата свинцю. Не виключається ймовірність розробки піроелектричного многокаскадного перетворювача з ККД циклу близько 10% при очікуваному енергос'еме до 2 кВт / л енергоносія, що в майбутньому створить реальну конкурентоспроможність класичним енергоустановки.

Піроелектріки - кристалічні діелектрики , на поверхні яких брало при зміні темп-ри Твиникають електричні. заряди. Поява електричні. зарядів пов'язано зі зміною спонтанної поляризації. 
Історична довідка. У поч. 18 в. в Європу були завезені кристали турмаліну      ("цейлонський магніт"), що володіють властивістю при нагріванні чинити силовий вплив на частинки попелу. Ф. У. Т. Епінус  встановив причину - освіту на кінцях нагрітого кристала зарядів протилежного знака. Термін "піроелектрика" був введений Д. Брюстером  пов'язав піроелектрічний ефект зі зміною електричної поляризації при зміні Т . Аккерманн  досліджував піроелектричний ефект в ряді кристалів в широкому інтервалі Т і виявив тенденцію до зменшення піроелектричного ефекту при зниженні Т . Перша мікроскопічна теорія створена С. А. Богуславським (1915). Надалі було встановлено, що усегнетоелектриків величина ефекту досить велика поблизу точки фазового переходу.

Спонтанна поляризація Р ₀ може існувати тільки при достатньо низькій симетрії кристала .Мати залежить від Т спонтанну поляризацію, т. Е. Бути П., можуть лише кристали, в яких брало є полярне напрямок, що не змінюється при всіх перетвореннях симетрії (полярні діелектрики): уздовж цього напрямку розташовується вектор Р ₀ . Таким полярним напрямком володіють кристали 10 точкових груп симетрії : 1, 2, 3, 4, 6, т , ТТ2 , З т , 4 тт , 6 тт (рис. 1). У групах 1 та т нескінченно багато таких напрямків і напрямок Р ₀ не визначено. В інших групах це осі симетрії.

Рис. 1. Можливі точкові групи симетрії пірозлектріков, показані осі симетрії кристалів.

Спонтанна поляризація проявляється у вигляді пов'язаного заряду в тих місцях кристала, де Р ₀ залежить від координат:

 - об'ємна щільність пов'язаного заряду.  На поверхні піроелектрика виникає пов'язаний поверхневий заряд, щільність догрого дорівнює нормальному компоненту Р ₀ . При цьому всередині кристала і поза ним виникає електричні. поле Е ₀ . У нескінченній пластині, вирізаної перпендикулярно Р ₀ ,

У загальному випадку поле Е ₀ і повна енергія піроелектрика залежать від його форми. 
У реальному П. поле Е ₀ всередині і поза ним дорівнює 0 (хоча Р ₀ зберігається). Причина - електропровідність - вільні заряди, переміщаючись до поверхонь, нейтралізують пов'язаний заряд. Тому піроелектріч. властивості можна спостерігати тільки при досить швидкій зміні температури кристала. 
Властивості рівняння, що зв'язує зміна Р ₀ і Т , має вигляд:  де - піроелектричний коефіцієнт, які можна розглядати як компоненти вектора  
В піроелектриків всіх класів симетрії, крім 1 і т , вектор направлений вздовж осі симетрії, к-раю є однією з координатних осей ( z ), т. е.  У групі твектор  лежить в площині симетрії:  у групі 1 напрямок довільно щодо координатних осей:  
Піроелектричний коефіцієнт  залежить від механічних умов: зразок може бути "вільний" (механічні. напруга відсутня) або "затиснутий", коли зовнішні механічні.напруги забезпечують відсутність механічні. деформацій u _ij , що виникають за рахунок теплового розширення при зміні Т . При одночасним. зміні Т, Етермодинамичний потенціал Ф кристала (при постійній механічічній напрузі) змінюється на величину

де S - ентропія кристала. Т. к. Р _i = - (дф / де) _Т , S = - (дФ / дт) _Еi , д ² Ф / дТдE _i = д ² Ф / де _i дт , то

Піроелектричний коефіцієнт визначає і зміна ентропії кристала під дією електричного поля:

Це означає, що температуpa піроелектрика, що знаходиться в стані адіабатічної ізоляції, при накладенні електричні. поля уздовж полярної осі зміниться на величину

де С - теплоємність кристала при постійних механічні. напрузі і електричні. поле ( електрокалоріческій ефект ) . Зміна Т для лінійних П. з  = 10 ^-4Кл / м ² х К і С = 10 ³ Дж / кг х К в полях Е ~ 10 ⁶ В / м має порядок 10 ^-4 К, в сегнетоелектриках 1-10 ^-2 К. 
Все піроелектрики є п'езоелектриками , тому зміна температури "вільного" кристала, що приводить до його тепловому розширенню або стиску (деформації), викличе додаткову електричні. поляризацію:

Тут e _ij k - тензор 3-го рангу пьезоелектріч. модулів, a _j k - компоненти тензора коефіцієнт теплового розширення, а сумарна поляризація

Тут  - коеф. "первинного",  - "вторинного" піроелектріч. ефекту. Для разл. кристалів співвідношення між  і варіюється в широких межах: вторинний ефект може перевищувати первинний, мати ін. знак і т. д. "Третинний" піроелектріч. ефект пов'язують зі зміною Р в неоднорідне нагрітому п'єзоелектрик. 
Мікроскопічна теорія П., що дозволяє з'ясувати природу піроелектріч. ефекту і описати властивості П., заснована на розгляді ангармонізму коливань кристалічної решітки . Температурна залежність піроелектріч. коеф. в області низьких темп-р задовільно описується співвідношенням

Тут  - типовий. темп-ри Дебая і Ейнштейна, D і Е - функції Дебая і Ейнштейна,  - постійні коефіцієнти. 
Експериментальні методи. Для вимірювання  необхідно визначити величину заряду, що виникає на поверхні кристала певної орієнтації і форми при змініТ . Для цього зазвичай використовуються плоскопараллельние пластинки, вирізані перпендикулярно полярній осі кристала. Великі поверхні зразка покриваються проводять електродами. Зміна пор. темп-ри кристала на величину  призводить до появи на електродах пов'язаного заряду ( S - площа електродів) і різниці потенціалів ( с - ємність зразка). 
Для вимірювання заряду конденсатор к зі зразком поміщається в термостат (рис. 2), температуpa к -якого може змінюватися. При появі піроелектричного заряду потенціал точки А змінюється, заряд може бути виміряний електрометром Е.

Рис. 2. Статичний метод визначення піроелектричного коефіцієнта.

Зазвичай електрометрії використовують в якості нуль-індикатора і визначається заряд протилежного знака, за величиною рівний піроелектричного (компенсаційна схема, що складається з батареї Б, потенціометра П і ємності С, перемикача Пр, служить для зміни знака заряду конденсатора). Заряд на конденсаторі Q підбирається так, щоб потенціал точки А дорівнював 0. У цьому випадку Q = Q _піро . В іншому методі вимірюється піроелектріч. ток I , що протікає між обкладинками конденсатора по зовн. ланцюга при безперервному зміні Т зразка (рис. 3).  При заданій швидкості зміни темпра dT / dt величина  визначається при R _i R _e :

 
 

Рис. 3. Вимірювання піроелектричного коефіцієнта в "струмовому" режимі.

Піроелектричні матеріали і їх практичне застосування . 

Типовими П. є турмалін, Li ₂ SО ₄ х H ₂ О. Серед П. особливе місце займають сегнето-електрики, в яких брало температурна область полярної фази обмежена: при підвищенні Т спонтанна поляризація зменшується і зникає в точці фазового переходу Т _до . Поблизу Т _до

і може досягати нескінченно великих значень. 
Для практич. цілей важливі П., в яких брало  зберігає високі значення в досить широкому інтервалі Т . Ряд сегнетоелектриків задовольняє цій умові; основна перешкода їх застосування - деполяризація через розбиття кристалів на домени. Використовуються разл. способи збереження в кристалах монодоменного стану: введення в зростаючий кристал домішок, -опромінення в електричні. поле; для кристалів з високими Т _до - охолодження при переході через Т _до в електричні. поле. При введенні домішок і опроміненні в сегнетоелектриках виникають внутр. поля, що досягають 10 ⁶ В / м. Крім стабілізації монодоменного стану ці поля призводять до "розмиття" фазового переходу, причому область Т , де має аномально високі значення, розширюється. Піроелектрнчними властивостями володіють керамичні сегнетоелектрики, поляризовані електричним полем, а також де-які полімери .

Піроелектричні властивості деяких матеріалів при Т = 300 К 

Піроелектрики використовуються як  перетворювачі. Основою є ніроелектрчна пластина з металевими електродами, нанесеними на зріз, перпендикулярний полярної осі. На вході - потік променевої енергії, що змінює температуру піроелектрика, на виході - електричні. заряд або напруга. Переваги піроелектричних перетворювачів - широкий діапазон частот детектованих випромінювань, висока чутливість, швидкодія, здатність до роботи при Т ~ 300 К. Піроелектричні приймачі застосовуються як детектори інфрачервоного випромінювання малої потужності; детектори форми і потужності коротких (10 ^-5 - 10 ^-11 с) імпульсів випромінювання; чувствит. датчики в спектро- і радіометрії; пірометри.

Рис. 4. Схема піроелектричного відекона: 1 - піроелектричного мішень; 2 - електронний промінь; 3 - катод; 4 - прискорює анод; 5 - вікно; 6 - сітка-колектор; 7 - фокусують і котушки, що відхиляють.

Особливо перспективно їх застосування для індикації просторового розподілу випромінювань, в т. ч. В системах візуалізації ІЧ-зображень. Створено піроелектрічні відекони - теплові передавальні телевізійні трубки з піроелектрічною мішенню (рис. 4). З зовнішнього боку через вікно 5 на мішень 1 у вигляді тонкої (10 - 100 мкм) піроелектріч. пластини (діам. 18 20мм) проектується зображення об'єкта; внутр. сторона звернена до зчитувального електронного променю 2. Зображення об'єкта створює на мішені температурний і відповідний йому зарядовий і потенційний рельєф. Цей рельєф модулює струм, що протікає в колі навантажувального опору при скануванні мішені електронним променем. Створюване струмом напруга управляє яскравістю променя, що відтворює зображення на телевізійному моніторі.

П’єзоелектричний ефект було відкрито П’єром і Жаком Кюрі 1880 р. Перше технічне застосування п’єзоефекту було здійснено П. Ланжевеном у 1920 р. – він створив ультразвуковий перетворю- вач для передавання і приймання інформації у воді, який став праобразом сучасних ультразвукових випромінювачів, що використо- вуються для навігації у підводних човнах, а також для виявлення косяків риб і в інших цілях. Згодом У. Кеді розробив п’єзоелектричні фільтри для застосування у телефонії. Натепер сфери практичного застосування приладів і пристроїв, у конструкціях яких використано п’єзоефект, постійно розширюються. Деякі вироби, як, наприклад, годинники, фотоапарати, мобільні телефони, телевізори, комп’ютери та п’єзозапальнички, стали предметами повсякденного побуту. Важко навіть перерахувати різні електронні пристрої, неможливі без використання п’єзоелементів – це випромінювачі та антени в гідроакустиці, стабілізатори частоти у комп’ютерах, радіотехнічних пристроях й еталонах часу, електричні фільтри та лінії затримки в радіо- і телефонному зв’язку, датчики для вимірювання прискорень, рівня вібрації, акустичної емісії для неруйнівного контролю, п’єзотрансформатори і п’єзодвигуни, медична ультразвукова томографія і медичні інструменти різного призначення тощо. П’єзоелектричні матеріали застосовують у широкому діапазоні пристроїв (датчики, приводи, перетворювачі тощо), які відіграють важливу роль у різних сферах – таких, як управління виробничим процесом, моніторинг навколишнього середовища, комунікації, інформаційні системи, медичне устаткування та ін. Через значне поширення п’єзоелектриків зростає попит на п’єзоматеріали з поліпшеними характеристиками, особливо на матеріали з урахуванням специфіки для конкретних застосувань. П’єзоелектричні матеріали – це й об’ємна кераміка, й керамічні тонкі плівки, й багатошарова кераміка, і монокристали, полімери та керамічно-полімерні композити. В останні роки розроблено і проходить випробування чимало різноманітних п’єзоелектричних  плівкових матеріалів для використання у різних мікросистемах і мікроелектронних компонентах. Встановлено, що плівкові та об’ємні п’єзоелементи вигідно застосовувати у надвисокочастотних пристроях. Нові релаксорно-сегнетоелектрична кераміка і кристали мають надзвичайно високу п’єзоелектричну ефективність перетво- рення енергії, що цікаво, зокрема, для медичних пристроїв візуалізації та для інших застосувань, таких, як спеціальні приводи промислового неруйнівного контролю. П’єзоелектрики використовують у сучасній енергетиці, напри- клад як п’єзодвигуни високої потужності (вперше розроблені в НТУУ «КПІ»). Інші цікаві приклади сучасного застосування п’єзоелектриків: – демпфери – гасники вібрацій – для вертольотів та літаків, зокрема розроблено таку конструкцію підшипника, в якій тертя зни- щується вібрацією. Для створення вібрації не потрібно спеціальних механізмів (втулки підшипника виготовляють із п’єзоелектричного матеріалу, електрична напруга змушує п’єзоелектрики стискатися і розширятися, створюючи вібрацію, яка нищить тертя); – для економії енергії (й отже, палива) на реактивних літаках встановлюються п’єзоперетворювачі, в яких в електроенергію без- посередньо перетворюються коливання і вібрація фюзеляжу і крил; – розроблено світлофори, батареї яких заряджаються від шуму автомобілів на перехресті; – проводилися експерименти перетворення енергії морських хвиль в електрику (припливні електростанції в США); – експериментально працює п’єзоелектрична система на перо- нах залізничних станцій для перетворення енергії коливань, ство- рюваних пасажирами (коливання платформи перетворюються в електрику, Японія). П’єзоефект широко використовує сучасна мікроелектроніка: – у мініатюрних п’єзовипромінювачах, що ефективні на високих частотах та мають невеликі габарити (такі, наприклад, встано- влюються у дитячі іграшки та музичні листи); – у системах надточного позиціонування, наприклад у системі позиціонування голки в сканувальному тунельному мікроскопі або для позиціонерів переміщення головки жорсткого диска комп’ютера; – для подавання чорнила в широкоформатних принтерах, що друкують на сольвентному чорнилі й чорнилі з ультрафіолетовим затвердінням.  П’єзоелектроніка – це новий науковий напрям. Серед сучасних застосувань п’єзоелектронних приладів виокремимо особливо актуальні: – тонкі п’єзоелектричні плівки, інтегровані з напівпровідниками; – мікросистеми, що поєднують сенсори, процесори й актюатори; – надвисокочастотні компоненти на основі активних діелектриків; – наноструктурні п’єзоелектрики, на основі яких планується отримати різноманітні електронні пристрої. Одне із завдань сучасних напрямів п’єзоелектроніки – перетво- рення практично будь-якого руху в електричний струм. Наприклад, перетворення енергії руху людини в енергію живлення різних електронних приладів (спеціальні п’єзокостюми, розроблювані для солда- тів, дозволять використовувати вироблений їх рухом електричний струм і тим самим позбавитися від зайвої ваги акумуляторів). Значні переваги мають нанотехнології: встановлено, що зі змен- шенням розмірів п’єзоелектричного перетворювача його здатність виробляти енергію зростає. Експериментально встановлено, що наночастинки розміром близько 20 нм виробляють у два рази більше струму, ніж монолітний п’єзоелектрик. Вже запропоновано десятки способів застосування нанотехнологій – від зарядження енергією мобільного телефона від голоса споживача і до пристрою, що дозволяє читати людські думки (це вкрай важливо для нейрології). Функціональні призначення п’єзоелементів, розміщених у го- динниках, п’єзозапальничках, телевізорах і мобільних телефонах, різноманітні, проте в основу таких пристроїв покладено одне й те саме фізичне явище – п’єзоелектрика, тобто здатність деяких кри- сталів, кераміки та текстур зі зміною розмірів або форми продукувати електрику, і навпаки, змінювати розміри або форму під дією електричної напруги.

Висновок

Кристали піроелектриків мають особливі осі, для яких властивості кристалів різні в позитивному та негативному напрямку. При нагріванні такого кристалу один його кінець заряджається позитивно, другий – негативно. Поява зарядів на поверхні піроелектриків пов’язана з додатковим зміщенням диполів вздовж електричної осі під дією температури. Піроефект має зворотний характер.

Кристали, які є піроелектриками лише в певному діапазоні температур, називаються сегнетоелектриками.

Зазвичай заряди на поверхні піроелектрика нейтралізуються порошинками, які налипають на неї з повітря. Проте нескомпенсовані заряди виникають при нагріванні такихкристалів. Виникнення зарядів на поверхні піроелектриків при нагріванні називається піроелектричним ефектом. В існуванні заряджених поверхонь можна також переконатися при розломі кристалу.

 

Список використаних джерел

1. Спонтанний флексоелектричний / флексомагнітний ефект у наноферроїках / Е.А. Єлісєєв, А.Н. Морозовська, М.Д.Глінчук та Р.Блінк // Фіз. Преподобний Б. - 2009. - Вип. 79, № 16. - С. 165433-1-10.

2. Гігантський магнітоелектричний ефект, спричинений власним поверхневим напруженням у фероєвих наностержниках / М.Д.Глінчук, Е.А. Єлісєєв, А.Н. Морозовська, Р. Блінк // Фіз. Преподобний Б - 2008. - Вип. 77, № 2. - С.024106-1-11.

3. Глінчук М. Д. Надпараелектрична фаза в ансамблі невзаємодіючих сегнетоелектричних наночастинок / М. Д. Глінчук, Е.А. Єлісєєв, А. Н. Морозовська // Фіз. Преподобний Б. - 2008. - Вип. 78, № 13. - С. 134107-1-9.

4. Морозовська А.Н. Фазові переходи, спричинені утриманням фероїчних наночастинок / А.Н. Морозовська, М.Д.Глінчук, Є.А. Єлісєєв // Фізичний огляд Б. - 2007. - Вип. 76, № 1. - С. 014102-1-13.

 5. Екраніруючий та уповільнюючий ефекти на рух 180 ° -доменної стінки у сегнетоелектриках: Швидкість стінки та нелінійна динаміка завдяки взаємодії заряду поляризаційно-екрануючого / Е.А. Єлісєєв, А.Н. Морозовська, Г.С.Свечников, Є.Л. Румянцев, Є. І. Шишкін, В.Й. Шур, С.В. Калінін // Фіз. Преподобний Б. - 2008. - Вип. 78, № 24. - С. 245409-1-10.

6. Єлісєєв Є.А. Загальний підхід до опису ефекту розміру в сегнетоелектричних наносистемах / Е.А. Єлісєєв, А.Н. Морозовська // Журнал матеріалознавства. - 2009. - Вип. 44, № 19. - С. 5149-5160.- [DOI 10.1007 / s10853-009-3473-0 доступ через http://www.springerlink.com/content/1641460455623465/]

7. Глінчук М. Д. Новий підхід до опису сегнетоелектричних наноматеріалів та тонких плівок / М. Д. Глінчук, Є.А. Єлісєєв, А. Морозовська // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. - 2003. - Вип. 1, № 2. - С. 329-381 [Наносистеми, Наноматерівлі, Нанотехнології / Збірник наукових праць / Том 1, вип. 2. - Київ: Академперіодика, 2004. - VII с. + 371 с.]

8. Єлісєєв Є.А. Ефекти розміру в тонких плівках сегнетоелектриків порядку-розладу, що дозволяють поле деполяризації / Е.А. Єлісєєв, М.Д.Глінчук // Фіз. Стат. Соль. (б). - 2004. - Вип. 241, № 11. - С. R52-R55. 9. Єлісєєв Є.А. Опис ефектів розміру в плівках сегнетоелектриків порядку-розладу на основі перенормованої вільної енергії. Е.А. Єлісєєв, М. Д. Глінчук // Фіз. Стат. Соль. (б). - 2004. - Вип. 241, № 15. - С. 3495–3504.

10. Властивості сегнетоелектричних тонких плівок - поле деполяризації та перенормування “об’ємних” коефіцієнтів вільної енергії / М.Д. Глінчук, Е.А. Єлісєєв, В.А. Стефанович, Р. Фахрі // J. Appl. Фіз. - 2003. - Вип. 93, № 2. - С. 1150 –1159.

11. Глінчук М.Д. Властивості сегнетоелектричної тонкої плівки: особливості, пов'язані з поляризацією, спричиненою невідповідністю / М.Д. Глінчук, А.Н. Морозовська, Є.А. Єлісєєв // Фероелектрика. - 2005. - Вип. 314, № 1. - С. 85-95.

12. Вплив вбудованого внутрішнього електричного поля на властивості сегнетоелектричної плівки та фазову діаграму / М.Д. Глінчук, А.Н. Морозовська, Є.А. Єлісєєв // Фероелектрика. - 2007. - Вип. 354, № 1. - С.86 - 98.

13. Глінчук М.Д. Фароеграми сегнетоелектричних тонких плівок із самополяризованою фазою та електретним станом / М.Д. Глінчук, А.Н. Морозовська, Є.А. Єлісєєв // Й. Зап. Фіз. - 2006. - Вип. 99, № 11. - С. 114102-1-12.

 14. Єлісєєв Є.А. Фазові діаграми антисегнетоелектричних тонких плівок / Є.А. Єлісєєв, М.Д. Глінчук, А.Н. Морозовська // Фазові переходи. - 2007. - Вип. 80, No 1–2. - С. 47-54.

15. Єлісєєв Є.А. Індукований розміром зовнішній вигляд сегнетоелектрики в тонких антифероелектричних плівках / Є.А. Єлісєєв, М.Д. Глінчук // Physica B. - 2007. - Вип. 400, № 1-2. - С. 106–113.

16. Єлісєєв Є.А. Поява сегнетоелектричності в тонких плівках початкового сегнетоелектрика / Е.А. Єлісєєв, М.Д.Глінчук, А.Н. Морозовська // Фіз. Стат. Соль. (б). - 2007. - Вип. 244, № 10. - С. 3660–3672.

17. Розподіл кореляційних радіусів у невпорядкованих сегнетоелектриках / М.Д.Глінчук, Е.А. Єлісєєв, В.А. Стефанович, Л. Ястрабік // Прикладна фізика Листи. - 2002. - Вип. 81, № 25. - С. 4808-4810.

18. Єлісєєв Є.А. Модель для обчислення властивостей сегнетоелектричних тонких плівок на основі випадкових полів / Е.А. Єлісєєв, М.Д.Глінчук // Фероелектрика. - 2005. - Вип. 316, № 1. –С. 167-175.

19. Глінчук М.Д. Функція розподілу випадкових полів у тоненькій плівці сегнетоелектричного релактора / М.Д. Глінчук, Е.А. Єлісєєв, В.А. Стефанович // Фероелектрика. - 2004. - Вип. 298, № 1. - С. 69-81.

20. Єлісєєв Є.А. Статичні властивості релакторних сегнетоелектричних тонких плівок / Е.А. Єлісєєв, М.Д.Глінчук // J. Appl. Фіз. - 2007. - Вип. 102, № 10. - С. 104110-1-6.

 21. Морозовська А.Н. Діелектрична реакція невпорядкованих сегнетоелектриків із вбудованими зарядженими кластерами / А.Н. Морозовська, Є.А. Єлісєєв, В.В. Обуховський // Фізика напівпровідників, квантова електроніка та оптоелектроніка. - 2003. - Вип. 6, № 2. - С. 238-248.

22. Морозовська А.Н. Феноменологічний опис перемикання поляризації в сегнетоелектричних напівпровідниках із зарядженими дефектами / А.Н. Морозовська, Є.А. Єлісєєв // Фіз. Стат. Соль. (б) - 2005. - Вип. 242, №4. - С. 947-961.