В мире современных технологий существуют материалы, способные преобразовывать тепловую энергию напрямую в электрический сигнал. Эти удивительные вещества получили название пироэлектрические материалы или пироэлектрики. Они являются основой для множества высокочувствительных устройств, от датчиков движения до систем ночного видения. В основе их работы лежит физическое явление, известное как пироэлектрический эффект.
Интересно, что пироэлектричество — одно из первых открытых человечеством электрических явлений. Еще в IV веке до н.э. древнегреческий философ Теофраст, ученик Аристотеля, заметил, что кристалл турмалина, нагретый на солнце, начинает притягивать к себе частицы пепла и соломы. Однако научное объяснение этому феномену было дано лишь в середине XVIII века российским физиком Францем Эпинусом, который связал его с электрической поляризацией.
Пироэлектрики также демонстрируют и обратное явление — электрокалорический эффект, при котором материал изменяет свою температуру под воздействием внешнего электрического поля. Таким образом, эти два эффекта неразрывно связаны, делая пироэлектрики многофункциональными материалами для управления тепловыми и электрическими процессами.
Физическая сущность пироэлектрического эффекта
Чтобы понять природу пироэффекта, необходимо обратиться к концепции спонтанной (самопроизвольной) поляризации. В отличие от обычных диэлектриков, которые поляризуются только под действием внешнего электрического поля, в пироэлектриках дипольные моменты выстроены упорядоченно даже в его отсутствие. Это происходит из-за асимметрии их кристаллической решетки: центры положительных и отрицательных зарядов в элементарной ячейке кристалла не совпадают, создавая постоянный электрический дипольный момент.
В стабильных условиях, при постоянной температуре, этот внутренний дипольный момент (и связанное с ним электрическое поле на поверхности) никак себя не проявляет. Он оказывается полностью скомпенсирован свободными зарядами, которые притягиваются из окружающей среды (например, ионы из воздуха) и оседают на гранях кристалла (см. рис. 1, а). Материал выглядит электрически нейтральным.
Магия начинается при изменении температуры. Нагрев или охлаждение кристалла вызывает анизотропное (неодинаковое по разным направлениям) изменение межатомных расстояний и углов в его решетке. Это, в свою очередь, приводит к изменению величины спонтанной поляризации. Существующий баланс зарядов нарушается, и на гранях кристалла, перпендикулярных его полярной оси, возникает избыточный, нескомпенсированный электрический заряд (рис. 1, б). Именно этот процесс и есть пироэлектрический эффект.
Математически это явление описывается простой формулой:
ΔP = γ * ΔT
где:
- ΔP — изменение спонтанной поляризации,
- γ — пироэлектрический коэффициент, ключевая характеристика материала, зависящая от его химического состава и структуры,
- ΔT — изменение температуры.
Рис. 1. Иллюстрация образования нескомпенсированного заряда ΔQs при температурном воздействии на пироэлектрик: а – исходное электрическое состояние пироэлектрического элемента 1 с металлическими электродами 2 и выводами 3 после длительной выдержки при температуре Т1 (заряды скомпенсированы); б – состояние элемента сразу после изменения температуры на ΔТ = Т2 – Т1. Возникший нескомпенсированный связанный заряд ΔQs индуцирует на выводах свободный заряд той же величины, что приводит к появлению разности потенциалов U. C – электрическая ёмкость образца; S – площадь грани, перпендикулярной полярной оси.
Первичный и вторичный пироэффекты
Важно отметить, что наблюдаемый пироэффект является суммой двух явлений:
- Первичный (истинный) пироэффект: изменение поляризации, вызванное непосредственно изменением температуры при постоянном объеме и форме кристалла.
- Вторичный (ложный) пироэффект: поскольку все пироэлектрики также являются и пьезоэлектриками, изменение температуры вызывает их тепловое расширение или сжатие. Эта деформация, в свою очередь, генерирует пьезоэлектрическую поляризацию, которая накладывается на первичный эффект. В некоторых материалах вклад вторичного эффекта может быть даже больше, чем первичного.
Эти факторы, а также собственная электропроводность кристалла, усложняют измерение и практическое использование пироэффекта, требуя тщательного подбора материалов и конструирования приборов.
Классификация и виды пироэлектрических материалов
Пироэлектрические свойства обнаружены у множества материалов, которые можно условно разделить на несколько ключевых групп.
1. Природные и синтетические монокристаллы
Классическими представителями этой группы являются турмалин, сахароза и сульфат лития моногидрата (Li2SO4·H2O). Однако особое место занимают сегнетоэлектрики — подкласс пироэлектриков, характеризующихся очень высокими значениями пироэлектрического коэффициента. Их спонтанная поляризация существует только в определенном температурном диапазоне, ограниченном сверху точкой Кюри (TK). При достижении этой температуры происходит фазовый переход, и материал теряет свои уникальные свойства.
Для практического применения сегнетоэлектрический кристалл необходимо сделать монодоменным, то есть сориентировать векторы поляризации всех доменов в одном направлении. Это достигается несколькими методами:
- Поляризация в электрическом поле: Кристалл нагревают выше точки Кюри, прикладывают сильное электрическое поле и медленно охлаждают. Так получают монодоменные кристаллы ниобата лития (LiNbO3) и танталата лития (LiTaO3).
- Введение примесей: В структуру кристалла вводят полярные дефекты, создающие внутреннее смещающее поле. Например, в кристаллы триглицинсульфата (ТГС) добавляют молекулы L-аланина.
2. Пироэлектрическая керамика
На практике наиболее широкое применение нашла керамика на основе твердых растворов цирконата-титаната свинца (ЦТС), известная как PZT-керамика (от Pb[ZrxTi1-x]O3). После процесса спекания и поляризации (охлаждения в сильном электрическом поле) такая керамика сохраняет высокую остаточную поляризацию и стабильные пироэлектрические свойства, при этом она значительно дешевле в производстве, чем монокристаллы.
3. Полимерные пироэлектрики
Важную нишу занимают полярные полимерные пленки, такие как поливинилиденфторид (ПВДФ, PVDF) и его сополимеры. Чтобы придать им пироэлектрические свойства, пленку подвергают специальной обработке: механическому растяжению для ориентации молекулярных цепей и последующей поляризации в сильном электрическом поле. Такие материалы отличаются гибкостью, малым весом, химической стойкостью и низким акустическим импедансом, что делает их незаменимыми для создания гибкой электроники и гидроакустических датчиков.
Практическое применение: от датчиков до тепловизоров
Основное свойство пироэлектриков — преобразовывать любое изменение температуры в электрический сигнал — открыло дорогу к созданию множества устройств. Когда на пироэлектрический элемент попадает излучение (например, инфракрасное), его температура меняется, что приводит к изменению поляризации и генерации электрического заряда.
Для образца в виде тонкой пластины с площадью S, покрытой электродами, изменение температуры на dT вызывает появление заряда dq, который можно описать как:
dq = γ * S * dT
Если электроды замкнуть через внешнюю цепь, в ней потечет пироэлектрический ток Ip, пропорциональный скорости изменения температуры:
Ip = dq/dt = γ * S * (dT/dt)
Таким образом, пироэлектрический преобразователь реагирует не на саму температуру, а на ее изменение. Это делает его идеальным для регистрации движущихся тепловых объектов.
Рис. 2. Конструкция пироэлектрического детектора излучений
Ключевые области применения пироэлектриков:
- Инфракрасные (ИК) детекторы: Это самое массовое применение. Пироэлектрические датчики (PIR-сенсоры) установлены в большинстве систем охранной сигнализации, автоматического включения света и управления климатом. Они недороги, надежны и не требуют охлаждения, в отличие от многих полупроводниковых аналогов.
- Измерение мощности лазерного излучения: Пироэлектрики способны измерять мощность как непрерывных, так и коротких импульсных лазеров в широком спектральном диапазоне.
- Пирометрия и термометрия: Высокая чувствительность позволяет создавать бесконтактные термометры, способные регистрировать изменения температуры до миллионных долей градуса (10-6 К).
- Системы визуализации (тепловизоры): Большой практический интерес представляет использование матриц из пироэлектриков для создания ИК-изображений. Одним из таких устройств является пироэлектрический видикон.
Пироэлектрический видикон: тепловое зрение
Пировидикон — это передающая телевизионная трубка, где в качестве мишени используется тонкая пластина из пироэлектрического материала (рис. 3). ИК-излучение от объекта проецируется через специальное окно на эту мишень, создавая на ее поверхности температурный рельеф. Этот рельеф, в свою очередь, формирует соответствующий рельеф электрического потенциала.
Рис. 3. Схема устройства пироэлектрического видикона: 1 – пироэлектрическая мишень; 2 – считывающий электронный луч; 3 – катод (источник электронов); 4 – ускоряющий анод; 5 – окно, прозрачное для ИК-излучения; 6 – сетка-коллектор; 7 – фокусирующие и отклоняющие катушки.
Сканирующий электронный луч последовательно «считывает» этот потенциальный рельеф, в результате чего в цепи нагрузки генерируется видеосигнал. Этот сигнал затем усиливается и используется для воспроизведения теплового изображения на экране монитора. Такие системы находят применение в медицине, промышленности, пожарной охране и военных технологиях.
Качество и надежность пироэлектрических приемников излучения во многом определяются точностью измерения их параметров. Процедуры и методики таких измерений в России стандартизированы и регламентируются документом ГОСТ Р 59607-2021 «Оптика и фотоника. Приёмники излучения полупроводниковые. Фотоэлектрические и фотоприёмные устройства. Методы измерений фотоэлектрических параметров и определения характеристик».. Соблюдение этого стандарта обеспечивает сопоставимость результатов и гарантирует высокое качество конечных устройств.
Заключение
Пироэлектрические материалы, пройдя путь от загадочного природного феномена до основы высокотехнологичных устройств, продолжают оставаться в центре внимания исследователей. Разработка новых композитных материалов, тонких пленок и керамик с улучшенными пироэлектрическими коэффициентами и рабочими характеристиками открывает новые горизонты для их применения. От миниатюрных сенсоров для «интернета вещей» до систем сбора бросовой тепловой энергии — потенциал пироэлектриков далеко не исчерпан, и в будущем нас ждут еще более удивительные технологии на их основе.
Регулярно публикую материалы о передовых методах обработки и сварки материалов, а также освещаю новинки в сфере производства,материаловедения, строительства и др.