DIELEKTRYKI, IZOLATORY,
FERROELEKTRYKI,
PIEZOELEKTRYKI, .....
Wszelkiego rodzaju
ceramiki dielektryczne
DIELEKTRYKI, IZOLATORY,
FERROELEKTRYKI,
PIEZOELEKTRYKI, .....
Wszelkiego rodzaju
ceramiki dielektryczne
Co to właściwie jest dielektryk?
Gdy mówimy „dielektryk”, to przychodzi nam na
myśl:
KONDENSATOR
Co to właściwie jest dielektryk?
Gdy, z kolei mówimy „izolator”, to myślimy o:
Co to właściwie jest dielektryk?
Materiał o zerowej lub prawie zerowej
przewodności elektrycznej; materiał, w którym
elektrony są związane z atomami lub
molekułami;
Fizyk ciała stałego powie, że dielektryk to
materiał o szerokiej przerwie energetycznej.
Dielektryk w kondensatorze:
Zwiększa jego pojemność
Zwiększa energię, która może być zmagazynowana w
kondensatorze:
Zwiększa maksymalne napięcie, które można przyłożyć
do kondensatora:
Powietrze: 3 kV/mm, Pyrex: 14 kV/mm.
0
C
C
ε
=
0
W
W
ε
=
Skąd wynikają właściwości dielektryków:
Co dzieje się w dielektryku w polu
elektrycznym?
Na dodatnie i ujemne ładunki w polu
elektrycznym działa siła. Zatem:
Atom w polu
elektrycznym
Atom bez pola
Polaryzacja elektronowa
Co dzieje się w dielektryku w polu
elektrycznym?
Jony bez pola
Jony w polu
elektrycznym
Polaryzacja jonowa
Co dzieje się w dielektryku w polu
elektrycznym?
Dipole bez pola
Dipole w polu
elektrycznym
Polaryzacja orientacyjna
Wszystkie mechanizmy oddziaływania
dielektryka z polem elektrycznym:
Przenikalności dielektryczne różnych
materiałów
Material Min. Max.
Material Min. Max.
Air 1
1
Silicone
3.2
4.7
Amber
2.6 2.7 Paper
1.5 3
Barium
Titanate
100 1250
Titanium
Dioxide
100
Glass
3.8 14.5 Plexiglass
2.6 3.5
Glass Pyrex 4.6 5
Water distilled 34
78
Quartz 5
5
Polyethylene 2.5
2.5
Kevlar
3.5 4.5 Polyimide
3.4 3.5
Mica 4
9
Polystyrene 2.4
3
Celluloid 4
4
Porcelain 5
6.5
Paraffin 2
3
Wood
dry 1.4
2.9
Rodzaje kondensatorów
KONDENSATORY
ELEKTROSTATYCZNE
CERAMICZNE
WARSTWOWE
ALUMINUM
TANTALUM
ELEKTROLITYCZNE
AC lub DC
Stosunkowo mała
pojemność
¾
najpowszechniejsze
¾
najtańsze
•DC
• Duże pojemności
TANTALUM
ALUMINUM
FILM
FILM
CERAMIC
CERAMIC
1.0pF
10uF
1000uF
Wartości pojemności
µF
=
micro-Farad
= 1 x 10
-6
F = 1 millionth of a Farad
nF
=
Nano-Farad
= 1 x 10
-9
F = 1 billionth of a Farad
pF
=
Pico-Farad
= 1 x 10
-12
F = 1 trillionth of a Farad
ALUMINUM
TANTALUM
CERAMIC
FILM
0.10uF
Kondensatory ceramiczne
Radial Leaded “Mono”
Axial Leaded “Mono”
Monolithic Multi-layer Ceramic (MLC)
Radial Leaded Ceramic Disc
Packaged on tape for auto insertion
Jednowarstwowe, okrągłe kondensatory
Y5
F
10
2K
1K
V
Ceramiczny dysk
Srebrne elektrody
po obu stronach
Kontakty
elektryczne
Warstwa ochronna
1
2
3
4
5
Warstwy są prasowane i spiekane razem
Pięć warstw
-
W rezultacie, pojemność jest
pięć razy większa niż przy jednej warstwie.
Wielowarstwowe kondensatory
Dielektryki to nie tylko duża
przenikalność
dielektryczna.
To również są inne, ciekawe
zjawiska:
ferro-, ferri-, piro-,
piezoelektryczność.
Ferroelektryki
Wstęp.
Pierwszy materiał ferroelektryczny: Rochelle
Salt.
Wielki postęp w dziedzinie badań oraz
zastosowań nastąpił w latach 1950,
Obecnie najszerzej stosowany ferroelektryk to
BaTiO
3
.
Ferroelektryczność.
Ferroelektryk jest to materiał, który wykazuje
spontaniczną polaryzację elektryczną (nawet
bez pola elektrycznego).
Nazwa zjawiska została zapożyczona od
ferromagnetyzmu (jest to mylące, gdyż
ferroelektryki raczej nie zawierają atomów Fe).
Ferroelektryczność.
Ferroelektryki mają zazwyczaj bardzo duże
przenikalności dielektryczne.
Każdy ferroelektryk jest piezoelektrykiem (ale
nie odwrotnie).
Zagadnienia:
Materiały ferroelektryczne;
Temperatura Curie i przemiany fazowe;
Spontaniczna polaryzacja i efekt
piroelektryczny;
Domeny ferroelektryczne;
Histereza dielektryczna;
Zastosowania ferroelektryków.
Przykłady ferroelektryków
KH
2
PO
4
(123K)
KD
2
PO
4
(213K)
RbH
2
PO
4
(147K)
GeTe (670K)
Siarczan triglicyny
(NH
2
CH
2
COOH)
3
.H
2
SO
4
(322K)
Selenian triglicyny (295K)
BaTiO
3
(408K)
KNbO
3
(708K)
PbTiO
3
(765K)
LiTaO
3
(938K)
LiNbO
3
(1480K)
PZT
Perowskity
Temperatura Curie i przemiany fazowe:
Spontaniczna polaryzacja pojawia się zazwyczaj
poniżej pewnej temperatury. Temperatura
krytyczna nosi nazwę temperatury Curie.
W ceramikach ferroelektrycznych spontaniczna
polaryzacja wiąże się ze strukturalnymi
przemianami fazowymi ( w innych materiałach
ferroelektrycznych może to być też przemiana
typu porządek-nieporządek).
Możliwe przemiany
fazowe:
T<T
c
T>T
c
T=T
c
Możliwe własności
w polu
elektrycznym:
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Ferroelektryk
Piroelektryk
Antyferroelektryk
+
+
E
E=0
T<T
c
Kilka uwag:
Będziemy zajmować się tylko ferroelektrykami.
Piroelektryk to jest właściwie to samo, co
ferroelektryk, ale:
Ma bardzo wysoką temperaturę Curie, wobec
czego nie obserwuje się go w stanie
paraelektrycznym;
Potrzebne jest bardzo silne pole elektryczne
aby zmienić jego polaryzację;
Odrębna nazwa wynika z jego zachowania
(polaryzacja ujawnia się w ogniu).
Ferroelektryk nie może mieć środka symetrii.
Struktura
centrosymetryczne
Bez środka symetrii
Piezo-
Ferro-
Triclinic
_
1
1
1
Monoclinic
2/m
2, m
2, m
Orthorhombic
mmm
222, mm2
mm2,
Tetragonal
4/m, (4/m)mm
_ _
4, 4, 422, 4mm,
42m
4, 4mm
Trigonal
_ _
3, 3m
3, 32, 3m
3, 3m
Hexagonal
6/m, (6/m)mm
_ _
6, 6, 622, 6mm,
6m2
6, 6mm
Klasyczny przypadek
ferroelektryka: BaTiO
3
Struktura regularna (powyżej
120 ºC). Wiązania Ti-O są
naprężone, > 2.0 Å.
W temperaturze 120 ºC zachodzi
przemiana fazowa, w której Ti
przemieszcza się ze środka
sześcianu w stronę jednego z tlenów.
→ Struktura tetragonalna
Z taką przemianą wiążą się:
Spontaniczna polaryzacja kryształu, czyli
powstanie wypadkowego momentu dipolowego
(pojawienie się właściwości ferroelektrycznych).
Uwaga: polaryzacja jako wielkość, którą się
oblicza (a nie zjawisko fizyczne) jest to
moment
dipolowy przypadający na jednostkę
objętości.
Duża zmiana przenikalności dielektrycznej.
Spontaniczna polaryzacja kryształu
Spontaniczna polaryzacja kryształu
Można łatwo obliczyć moment dipolowy każdej
tetragonalnej komórki elementarnej.
0.006 nm
0.009 nm
Ba
+2
Ti
+4
O
-2
Moment dipolowy:
l
q
p
r
r =
Gdzie q jest ładunkiem,
natomiast l jest wektorem
łączącym ładunki
Spontaniczna polaryzacja kryształu
Jony baru nic nie wnoszą.
W rezultacie, moment dipolowy komórki
elementarnej wynosi:
Cm
10
06
.
1
p
29
−
⋅
=
r
Polaryzacja:
2
3
9
29
m
/
C
16
.
0
)
m
10
410
.
0
(
Cm
10
06
.
1
P
≈
⋅
⋅
=
−
−
Duża zmiana przenikalności dielektrycznej:
W rzeczywistości BaTiO
3
przechodzi trzy
przemiany fazowe:
W rzeczywistości BaTiO
3
przechodzi trzy
przemiany fazowe:
jednoskośny
romboedryczny
tetragonalny
Domeny ferroelektryczne.
Kryształy
ferroelektryczne
składają się z tzw.
domen
ferroelektrycznych
.
Domeny ferroelektryczne.
Ferroelektryczna domena –
obszar, w którym kryształy
są spolaryzowane w tym
samym kierunku.
Sąsiednie domeny są
spolaryzowane w różnych
kierunkach. Kąty: 180
o
, 90
o
,
71
o
/109
o
.
Jaffe, 1971
Domeny ferroelektryczne.
Po wyłączeniu
pola polaryzacje
nie maleje do zera
P
r
(Polaryzacja
resztkowa)
Pętla histerezy
E
c
(Pole koercji)
Pole
elektryczne
Polaryzacj
a
Umieszczamy materiał
w polu elektrycznym:
domeny spolaryzowane
zgodnie z polem rosną
Istnienie domen
ferroelektrycznych
jest przyczyną
histerezy
ferroelektrycznej
Pętla histerezy
-4 0
-3 0
-2 0
-1 0
0
1 0
2 0
3 0
4 0
-0 .3
-0 .2
-0 .1
0 .0
0 .1
0 .2
0 .3
P Z T -P S M
P Z T -P S M -C e
P Z T -P S M -E u
P Z T -P S M -Y b
P
ol
ariz
ati
on (C/m
2
)
E le c tric F ie ld (k V /c m )
Wielkość pętli histerezy zależy od pracy
potrzebnej do przesunięcia ścian domenowych.
Zastosowania ferroelektryków:
Najpowszechniej stosowane ferroelektryki;
Jako materiały dielektryczne w
kondensatorach;
Detektory;
Tranzystor;
Pamięci ferroelektryczne.
Niektóre stosowane materiały:
Materiał
Wzór
T
c(K)
P
s (10
-2
Cm
-2
)a
Barium titanate
BaTiO
3
183,278,393
~20
Boracite
Mg
3
B
7
O
13
Cl
538
0.05
Lead titanate
PbTiO
3
763
~75
Lead zirconate PbZrO
3
503
0b
Lithium niobate LiNbO
3
1473
71
(KDP)
KH
2
PO
4
123
5e
Rochelle salt NaKC
4
H
4
0
6
255,297
0.25f
Sodium niobate NaNbO
3
627
0b
a) Values of Ps are for single crystals at room temperature unless specified otherwise
b) Antiferroelectric at room temperature
c) Melts below Tc
d) Decomposes at about 273 K
e) At 100 K
f) At 280 K
Najsłynniejszy ferroelektryk: PZT
PZT jest to roztwór stały dwóch perowskitów:
tetragonalnego (PbTiO
3
): 6 kierunków polaryzacji
romboedrycznego (PbZrO
3
): 8 kierunków polaryzacji
O
2-
Pb
2+
Zr
4+
/Ti
4+
a
Ps
Ps
Rhombohedral
Tetragonal
Cubic
Perovskite
PbZrO
3
PbTiO
3
MP
B
350
o
C
a
c
a
a
a
α
a
Ferroelektryki jako materiały dielektryczne
w kondensatorach
Y5
F
10
2K
1K
V
Kondensatory:
Aby dielektryk mógł być stosowany w
kondensatorach powinien mieć dużą przenikalność
elektryczną
ε′. Bardzo dobry jest na przykład
BaTiO
3
:
Ale w 120°C!
Kondensatory
pracują w
temperaturze
pokojowej.
Kondensatory:
Częściowe zastąpienie Ba mniejszym jonem (np.
Sr
2+)
; powoduje zmniejszenie komórki elementarnej
i obniżenie temperatury krytycznej.
Detektory
Detektory piroelektryczne
Monokryształy siarczanu triglicyny (TGS),
LiTaO
3
, and (Sr,Ba)Nb
2
O
6
są powszechnie
używane jako detektory ciepła.
Ferroelektryczny RAM (FRAM)
FRAM wykorzystuje istnienie
trwałej polaryzacji
ferroelektryka oraz
możliwość jej zmiany
wskutek przyłożenia pola
elektrycznego.
W zerowym polu elektrycznym
polaryzacja może być
skierowana albo „w górę”,
albo „w dół”
(+P
r
lub –P
r
)
‘0’ ‘1’
.
Energy
-Z
+Z
FRAM
Ferroelektryk nie
może samo-
rzutnie zmienić
polaryzacji: w tym
celu potrzebna
jest energia.
Pole
elektry
czne
: Pb
2+
: Ti
4+
: O
2-
FRAM
Hynix 64K FeRAM
Używany ferroelektryk:
napylona warstwa
domieszkowanego
PZT
Kryształy piezoelektryczne
Na czym polega piezoelektryczność?
Efekt piezoelektryczny (prosty): zdolność
niektórych kryształów do wytwarzania pola
elektrycznego wskutek działania siły
zewnętrznej.
Kryształy piezoelektryczne wskutek
umieszczenia ich w polu elektrycznym
deformują się (odwrotny efekt
piezoelektryczny).
Na czym polega piezoelektryczność?
P
siła
P+
∆P
Na czym polega piezoelektryczność?
-
+
+
-
+
-
-
+
+
-
+
-
-
+
+
-
Polaryzacja zależy od działającej siły
Na czym polega piezoelektryczność?
Istnieje zatem sprzężenie pomiędzy:
naprężeniem a polaryzacją.
Własności piezoelektryka opisuje się za pomocą
kilku wielkości fizycznych:
Stała sprzężenia piezoelektrycznego (d);
Czynnik sprzężenia elektromechanicznego
(k).
Stała sprzężenia piezoelektrycznego:
E
d
a
polaryzacj
0
)
1
(
ε
ε
σ
−
+
⋅
=
Jednostką d jest m/V
W ceramikach piezoelektrycznych (PZT)
stała sprzężenia jest rzędu 200-500 pm/V.
W piezopolimerach – 30 pm/V.
Najczęściej używane piezoelektryki:
Układ tytanian ołowiu-cyrkonian ołowiu (PZT);
Tytanian ołowiu (PbTiO
2
);
Tytanian baru (BaTiO
3
);
Polimery (polifluorek winylidenu PVF
2
).
Wytwarzanie piezoceramik
Składniki są mieszane i mielone. W przypadku PZT, są to:
PbO, tlenki tytanu i cyrkonu, itd.
W pierwszym etapie spiekania powstaje struktura perowskitu.
Po tym etapie dodawana jest substancja łącząca (powoduje
lepszą spoistość)
Nadawany jest kształt, po czym następuje ostatnie spiekanie.
Gotowe elementy są wstępnie polaryzowane w
silnym polu elektrycznym.
Wytwarzanie piezoceramik
Wytwarzanie piezoceramik: niektóre
konfiguracje piezoelementów
n – liczba warstw
U – napięcie
nU
d
L
⋅
≈
∆
Złożenie szeregu
elementów
piezoelektrycznych
powoduje zwiększenie
efektu.
Polarization axis
Zastosowania kryształów piezoelektrycznych:
Konwersja energii mechanicznej na elektryczną:
Mikrofony;
Czujniki drgań, mierniki ciśnienia;
Różne urządzenia mierzące i kontrolujące
położenie;
Zapalniki gazu;
Bezpieczniki.
Zastosowania kryształów piezoelektrycznych:
Konwersja energii elektrycznej na mechaniczną:
Zawory;
Mikropompy;
Słuchawki i głośniki;
Płuczki ultradźwoiękowe, rozmaite urządzenia
do mieszania i robienia emulsji;
Wszelkie źródła ultradźwięków;
Tłumienie drgań.
Przykłady: tłumienie drgań.
Piezoelektryk nie tylko może drgania wytwarzać. Może je
również tłumić.
Wykorzystuje się je w taki sposób w stołach do
precyzyjnej fotolitografii. W każdej nodze stołu są dwa
zestawy piezoelektryczne. Jeden służy do detekcji
drgań, drugi do wytwarzania siły tłumiącej te drgania
(siła aż do 5000N);
Narty – piezoelektryk zaczyna drgać, a ponieważ jest
podłączony do obwodu o dużym oporze – energia
elektryczna jest zamieniana na ciepło.
PHYSICS NEWS UPDATE
The American Institute of Physics Bulletin of
Physics News
Number 729 April 27, 2005 by Phillip F. Schewe,
Ben Stein
PHYSICS NEWS UPDATE
PYROFUSION: A ROOM-TEMPERATURE, PALM-
SIZED NUCLEAR FUSION DEVICE has
been reported by a UCLA collaboration, potentially
leading to new kinds of fusion devices and other
novel applications such as microthrusters for
MEMS spaceships.
PHYSICS NEWS UPDATE
The key component of the UCLA
device is a pyroelectric crystal, a class of materials
that includes lithium niobate, an inexpensive solid
that is used to filter signals in cell phones. When
heated a pyroelectric crystal polarizes charge,
segregating a significant amount of electric charge
near a surface, leading to a very large electric field
there. In turn, this effect can accelerate electrons
to relatively high (keV) energies (see Update 564,
PYROFUSION
The UCLA researchers (Seth Putterman, 310-
825-2269) take this idea and add a few other
elements to it. In a vacuum chamber containing
deuterium gas, they place a lithium tantalate
(LiTaO
3
) pyroelectric crystal so that one of its
faces touches a copper disc which itself is
surmounted by a tungsten probe. They cool and
then heat the crystal, which creates an electric
potential energy of about 120 kilovolts at its
surface. The electric field at the end of the
tungsten probe tip is so high (25 V/nm) that it
PYROFUSION
strips electrons from nearby deuterium atoms.
Repelled by the negatively charged tip, and
crystal field, the resulting deuterium ions then
accelerate towards a solid target of erbium
deuteride (ErD
2
), slamming into it so hard that
some of the deuterium ions fuse with deuterium
in the target. Each deuterium-deuterium fusion
reaction creates a helium-3 nucleus and
PYROFUSION
a 2.45 MeV neutron, the latter being collected as
evidence for nuclear fusion. In a typical heating
cycle, the researchers measure a peak of about
900 neutrons per second, about 400 times the
"background" of naturally occurring neutrons.
During a heating cycle, which could last from 5
minutes to 8 hours depending on how fast they
heat the crystal, the researchers estimate that
they create approximately 10
-8
joules of fusion
energy.
PYROFUSION
(To provide some perspective, it takes about
1,000 joules to heat an 8-oz (237 ml) cup of
coffee one degree Celsius.) By using a larger
tungsten tip, cooling the crystal to cryogenic
temperatures, and constructing a target
containing tritium, the researchers believe they
can scale up the observed neutron production
1000 times, to more than 10
6
neutrons per
second. (Naranjo, Gimzewski, Putterman, Nature,
28 April 2005).
Zastosowanie?
The researchers say that this method of producing nuclear fusion won't be useful for
normal power generation, but it might find applications in the generation of neutron
beams for research purposes, and perhaps as a propulsion mechanism for miniature
spacecraft.