Материаловедение

Пироэлектрические материалы

Пироэлектрическими материалами (пироэлектриками) называются кристаллические диэлектрические материалы, у которых проявляется пироэлектрический эффект. Для этого эффекта существует обратный ему электрокалорический эффект. Таким образом, пироэлектрические материалы также являются и электрокалорическими.

Пироэлектрический эффект (пироэффект, пироэлектричество) представляет собой явление, заключающееся в возникновении в кристаллических диэлектрических материалах электрического поля при изменении их температуры. Это явление было известно и описано ещё древнегреческими учёными. Его природа была объяснена в 1756 г. русским физиком Ф. У. Т. Эпинусом.

Механизм пироэффекта связан с особым проявлением в пироэлектриках электрической поляризации – состояния, которое характеризуется наличием электрического дипольного момента у каждого элемента объема диэлектрика. Обычные диэлектрики способны поляризоваться только во внешнем электрическом поле. В отличие от них пироэлектрики имеют важную особенность: они обладают электрической поляризацией при отсутствии внешнего электрического поля. Существование такой спонтанной (самопроизвольной) электрической поляризации приводит к появлению связанного электрического поверхностного заряда на гранях кристалла пироэлектрика и обусловленного ими электрического поля. С учетом указанной особенности пироэлектриков можно дать следующее определение пироэффекта, отражающее его физическую сущность: пироэффект – это изменение спонтанной поляризации диэлектрического кристалла при изменении его температуры, что может быть описано равнением ∆Р = γ∆Т, где γ – пироэлектрический коэффициент, зависящий от природы кристалла, а также от температуры, причем характер температурной зависимости γ может быть различен для разных пироэлектриков.

Если кристалл пироэлектрика долгое время находится при постоянной температуре, то обнаружить в нем спонтанную поляризацию нельзя, так как связанные заряды на поверхности оказываются скомпенсированными свободными зарядами собственной (ничтожно малой) проводимости кристалла и зарядами, пришедшими из окружающей среды (ионами воздуха) (рис. 1, а). С изменением температуры кристалла в нем анизотропно изменяются расстояния и углы между атомами (ионами). Как следствие, изменяется существующая внутри кристалла спонтанная поляризация и на гранях кристалла, перпендикулярных определенному направлению, называемому полярной осью, возникают нескомпенсированные электрические заряды (рис. 3, б) и связанное с ними электрическое поле, убывающее со скоростью, зависящей от притока (или оттока) свободных зарядов. Наличие полярной оси в кристалле связано с ассиметричным расположением атомов (ионов) в кристаллической решетке (несовпадением центров тяжести положительных и отрицательных зарядов в элементарной ячейке).

заряд при изменении температуры пироэлектрика

Рис. 1. Образование заряда ∆Qs при изменении температуры пироэлектрика: а – электрическое состояние пироэлектрического образца 1, покрытого металлическими электродами 2 с внешними выводами 3 после длительного выдерживания при температуре Т1; б – электрическое состояние образца сразу после изменения температуры на ∆Т = Т2 – Т1. Некомпенсированный связанный заряд ∆Qs вызывает во внешних выводах свободный заряд того же знака и такой же величины. Между выводами возникает разность потенциалов U, по которой определяется пирокоэффициент; С – электрическая емкость образца; S – площадь грани образца, перпендикулярной полярной оси

Наблюдение пироэффекта осложняется проводимостью кристалла. Кроме того, каждый пироэлектрик также является и пьезоэлектриком. Поэтому изменение температуры кристалла пироэлектрика, особенно неоднородное, вызывает деформацию кристалла, приводящую к пьезоэлектрической поляризации, которая добавляется к поляризации, вызванной пироэффектом.

Типичными пироэлектриками являются турмалин, сахароза, сульфат лития моногидрата и др. Среди пироэлектриков особое место занимают сегнетоэлектрики, которые обладают довольно большими значениями пироэлектрического коэффициента. Однако спонтанная поляризация у сегнетоэлектриков может наблюдаться только лишь в определенном диапазоне температур, ограниченном температурой сегнетоэлектрического фазового перехода – температурой Кюри TK (при повышении температуры спонтанная поляризация уменьшается и исчезает в точке фазового перехода Тк).

Для того чтобы сегнетоэлектрический кристалл приобрел высокие пироэлектрические свойства, необходимо сделать его поляризацию однородной, а сам кристалл – монодоменным. Для достижения монодоменного состояния в сегнетоэлектрическую матрицу вводят полярные дефекты (примеси), создающие внутреннее смещающее поле, постоянно поляризующее кристалл. Например, для сегнетоэлектрических кристаллов триглицинсульфата такими примесями являются полярные молекулы L-аланина. В сегнетоэлектриках с высокой температурой Кюри (ниобат лития LiNbO3, TC = 1000 °C; танталат лития LiTaO3, TC = 665 °C и др.) монодоменное состояние может быть получено охлаждением кристалла в электрическом поле через точку Кюри до комнатной температуры. Монодоменное состояние также можно формировать непосредственно в процессе выращивания кристаллов.

На практике широко используются керамические сегнетоэлектрики на основе твердых растворов титаната свинца и цирконата свинца (PbTiO3–PbZrO3) с различными добавками. Керамические образцы, охлажденные в электрическом поле с прохождением точки Кюри, сохраняют довольно высокую остаточную электрическую поляризацию, что позволяет их эффективно использовать в качестве пироэлементов.

Кроме того, важную в практическом отношении группу пироматериалов составляют полярные пленочные полимеры типа поливинилиденфторида. После специальной обработки (механическое растяжение, охлаждение в электрическом поле) такие полимерные пленки приобретают спонтанную поляризацию и пироэлектрический эффект.

Пироэлектрики широко применяются в качестве сенсорных устройств различного назначения, детекторов и приемников излучений, датчиков теплометрических приборов (рис. 2). В этих устройствах используется основное свойство пироэлектриков: любой вид излучения, попадающий на пироэлектрический образец, вызывает изменение его температуры и соответствующее изменение поляризации. Для плоскопараллельного образца с поверхностью S и направлением спонтанной поляризации Р0, перпендикулярным этой поверхности (рис. 6), нагревание на малую величину dT приводит к изменению связанного заряда на поверхности на dq и

Если поверхности S покрыты проводящими электродами и эти электроды соединены проводником, то по нему будет протекать ток

Пироэлектрический детектор излучений

Рис. 2. Пироэлектрический детектор излучений

Таким образом, на входе такого преобразователя имеем поток излучения, вызывающий изменение температуры образца, а на выходе – электрический ток или заряд, изменяющиеся с изменением температуры. Особенно перспективно применение пироэлектрических приемников в области ИК-диапазона, которые практически решают проблему детектирования потоков тепловой энергии малой мощности; измерения формы и мощности коротких импульсов лазерного излучения; чувствительного контактного и бесконтактного измерения температуры (чувствительность пироэлектрических термометров достигает 10-6 К).

Большой практический интерес представляет использование пироэффекта для индикации пространственного распределения излучений в системах визуализации ИК-изображений. В частности, созданы пироэлектрические видиконы – тепловые передающие телевизионные трубки с пироэлектрической мишенью (рис. 3). С внешней стороны через окно 5 на мишень 1 в виде тонкой (10–100 мкм) пироэлектрической пластины проецируется изображение объекта, в то время как внутренняя сторона обращена к считывающему электронному лучу 2.

Схема пироэлектрического видикона

Рис. 3. Схема пироэлектрического видикона: 1 – пироэлектрическая мишень; 2 – электронный луч; 3 – катод; 4 – ускоряющий анод; 5 – окно; 6 – сетка-коллектор; 7 – фокусирующие и отклоняющие катушки

Изображение объекта формирует на мишени температурный и соответствующий ему зарядовый и потенциальный рельеф. Этот рельеф модулирует ток, который протекает в цепи нагрузочного сопротивления при сканировании мишени электронным лучом. Создаваемое током напряжение управляет яркостью луча, который воспроизводит изображение на телевизионном мониторе.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *