Материал: 551

81

•структура не должна обладать центром симметрии, в противном случае при симметричном смещении зарядов электрический момент не возникнет;

•удельное сопротивление диэлектрика должно быть высоким, чтобы свободные заряды не компенсировали поляризацию.

Монокристаллический кварц широко применяется в качестве пьезоэлектрика. Плоскопараллельная полированная кварцевая пластинка с электродами и держателем представляет собой пьезоэлектрический резонатор, т.е. является колебательным контуром с определенной резонансной частотой колебаний. Последняя зависит от толщины пластинки. Помещенный во входную цепь электрического генератора, такой пьезоэлемент навязывает ему собственную резонансную частоту. Используется для стабилизации частоты.

Кроме кварца, в различных преобразователях используют кристаллы сульфата лития, сегнетовой соли, ниобата и танталата лития, а также пьезокерамику на основе твердых растворов цирконат-титаната свинца (ЦТС). Пьезокерамика имеет перед монокристаллами то преимущество, что из нее можно изготовить элемент практически любой

формы и размера. Керами-

зоэлементы можно использовать как датчики давлений и деформаций. На их основе создаются пьезотрансформаторы и пьезодвигатели. Достоинством последних является отсутствие обмотки и магнитных полей.

8.2.3. Пироэлектрики

Пироэлектричским эффектом называется изменение спонтанной поляризованности при изменении температуры.

При неизменной температуре спонтанный электрический момент скомпенсирован свободными зарядами противоположного знака. Изменение температуры сопровождается изменением спонтанной поляризованности, а следовательно, протеканием электрического тока i :

где S – поверхность пироэлектрика;

p - пироэлектрический коэффициент; dTdt - скорость изменения температуры.

Температурное изменение спонтанной поляризованности обусловлено, во-первых, нарушением упорядоченности в расположении дипольных моментов, а во-вторых, изменением линейных размеров при нагревании, что приводит к пьезоэлектрической поляризации.

Пироэлектрическими свойствами обладают все сегнетоэлектрики и некоторые линейные диэлектрики (например, турмалин). Однако сегнетоэлектрики проявляют пироэлектрические свойства только в монодоменизированном состоянии, т.е. при одинаковой ориентации всех доменов. Монодоменизация сегнетоэлектрика осуществляется путем выдержки его в постоянном электрическом поле при температуре несколько ниже точки Кюри.

Пироэлектрический коэффициент возрастает при приближении к температуре Кюри рис. 8.6. Пироэффект в сегнетоэлектриках используется для создания тепловых датчиков и приемников лучистой энергии, предназначенных, в частности, для регистрации инфракрасного и СВЧ-излучения. Принцип действия пироэлектрических фотоприемников прост: лучистая энергия, попадая на зачерненную (поглощающую) поверхность сегнетоэлектрического кристалла, нагревает его. В результате нагревания изменяется спонтанная поляризованность кристалла и возникает импульс тока, который регистрируется электронной схемой. Максимальными значениями пироэлектрических коэффициентов обладают сегнетоэлектрики с точкой Кюри, близкой к ком-

83

натной температуре. К их числу относятся кристаллы ниобата бария-

стронция, у которых p = (4 - 28)10-4 Кл/(м2 К).

Широко используется в низкочастотных детекторах излучения триглицинсульфат (ТГС). Некоторое неудобство представляет гигроскопичность ТГС, обусловливающая необходимость его специальной герметизации.

Повышенной чувствительностью на высоких частотах характери-

зуются кристаллы LiNbO3 и LiTaO3, отличающиеся стабильностью пироэлектрических свойств. Благодаря высокой температуре Кюри они могут устойчиво работать до температур порядка 500°С.

Пироэлектрический эффект проявляется и в поляризованной сегнетокерамике, хотя пироэлектрические свойства поликристаллических образцов заметно хуже, чем у монокристаллов.

Пиро- и пьезоэлектрические свойства обнаружены также у некоторых полимеров, в частности, у поляризованных пленок поливинилденфторида и поливинилденхлорида.

8.2.4. Электреты

Электретом называют тело из диэлектрика, длительно сохраняющее поляризацию и создающее в окружающем его пространстве электрическое поле.

Электреты являются аналогом постоянных магнитов. Существуют различные способы получения электретного состоя-

ния в диэлектриках.

Термоэлектреты получают из охлажденного в сильном электрическом поле расплава полярных диэлектриков. Термоэлектреты способны создавать электрическое поле в окружающем пространстве в течение многих месяцев и даже лет.

Фотоэлектреты изготавливаются из материалов, обладающих фотоэлектропроводностью (сера, сульфид кадмия и др.), при одновременном воздействии света и электрического поля. Фотоэлектреты могут длительно сохранять заряды в темноте и быстро разряжаются при освещении.

Короноэлектреты образуются при воздействии на диэлектрик только электрического поля без нагрева или облучения. Поле выбирают настолько большим, что над поверхностью диэлектрика возникает газовый разряд (электрическая прочность газа ниже, чем у твердого диэлектрика); ионы, ускоренные полем, бомбардируют поверхность диэлектрика, создавая структурные дефекты и образуя поверхностный заряд.

84

1

Образование электретного состояния в диэлектрике поясняет рисунок 8.7. На каждой из поверхностей электрета, находящегося под поляризующими электродами, образуются электрические заряды обоих знаков.

Заряды, перешедшие из поляризующего электрода или из воздушного зазора на поверхностные ловушки твердого диэлектрика и имеющие тот же знак заряда, что и на электроде, называют гомозаря-

дами.

Заряды с противоположным знаком полярности электродов, возникающие в электрете за счет различных релаксационных механизмов поляризации, называют гетерозарядами.

Разность гетеро- и гомозарядов определяет результирующий заряд поверхности электрета. Преобладанием того или иного заряда объясняется инверсия его знака на поверхности электрета с течением времени.

Сразу после окончания поляризации преобладает гетерозаряд, а спустя некоторое время, когда тепловое движение дезориентирует диполи, преобладающим оказывается гомозаряд.

Гомозаряды сохраняются в течение более длительного времени по сравнению с гетерозарядами. Поверхностная плотность зарядов, на-

блюдающаяся у различных электретов, может составлять 10–6–10−4 Кл/м2.

Уорганических полярных электретов преобладают гетерозаряды,

унеорганических (керамических) материалов и органических неполярных диэлектриков – гомозаряды. У такого известного неполярного диэлектрика, как пленочный фторопласт, существует очень прочно удерживаемый и значительный по величине гомозаряд. Гомозаряд локализован только в поверхностных слоях электрета, тогда как гетерозаряд распределен по всему объему электрета, что и подтверждает физическую природу этих зарядов.

Время жизни электретов в нормальных условиях может достигать

85

десятков лет. Оно быстро уменьшается с повышением температуры и влажности окружающей среды. При нагревании происходит освобождение носителей заряда, захваченных ловушками, а также нейтрализация объемных зарядов за счет электропроводности диэлектрика. В материалах с очень высоким удельным сопротивлением релаксация заряда, локализованного на глубоких ловушках, происходит очень медленно.

В настоящее время наибольшее практическое применение находят электреты на основе полимерных пленок (например, фторопласт).

Обычно электрет имеет вид тонкой пластинки или пленки с разноименными зарядами одинаковой поверхностной плотности на противоположных сторонах.

Если электрет поместить между металлическими обкладками, то на обкладках индуцируется заряд, зависящий от величины зазора между одной из поверхностей электрета и электродом и от толщины пластинки диэлектрика и его диэлектрической проницаемости. При изменении зазора индуцированный заряд также изменяется.

Электреты могут быть использованы для изготовления микрофонов и телефонов, измерителей механических вибраций и атмосферного давления, а также в клавишных вычислительных машинах, в электрофотографии и во многих других случаях.

8.2.5. Жидкие кристаллы

Жидкими кристаллами называют такие вещества, которые находятся в промежуточном (мезоморфном) состоянии между изотропной жидкостью и твердым кристаллическим телом. С одной стороны, они обладают текучестью, способностью находиться в каплевидном состоянии, а с другой - для них характерна анизотропия свойств и, прежде всего, оптическая анизотропия...

Малость межмолекулярных сил, обеспечивающих упорядоченную структуру жидкого кристалла, является принципиальной основой сильной зависимости свойств от внешних факторов (температуры, давления, электрического поля и др.). Эта зависимость, в свою очередь, открывает богатые возможности при разработке индикаторных устройств различного назначения.

Специфика жидких кристаллов заключается в ограниченном температурном интервале существования мезофазы (т.е. жидкокристаллического состояния). Последовательность фазовых превращений при нагревании вещества можно представить следующей схемой:

твердое тело – жидкий кристалл – изотропная жидкость. Жидкокристаллическое состояние образуют в основном органиче-

86

ские соединения с удлиненной палочкообразной формой молекул. Значительную часть жидких кристаллов составляют соединения ароматического ряда, т.е. соединения, молекулы которых содержат бензольные кольца.

По признаку общей симметрии все жидкие кристаллы подразделяются на три вида: смектические, нематические и холестерические.

Смектическая фаза характеризуется слоистым строением. Центры тяжести удлиненных молекул находятся в плоскостях, равноудаленных друг от друга. В каждом слое молекулы ориентированы параллельно за счет упругого дисперсионного взаимодействия. Текучесть обеспечивается лишь взаимным скольжением слоев, поэтому вязкость среды достаточно велика. Из-за высокой вязкости смектические жидкие кристаллы не получили широкого применения в технике.

В нематической фазе длинные оси молекул ориентированы вдоль одного общего направления, называемого нематическим директором. Однако центры тяжести молекул расположены беспорядочно, так что возникает симметрия более низкого порядка, чем у смектических кристаллов. При таком строении вещества возможно взаимное скольжение молекул вдоль нематического директора.

Холестерическая фаза на молекулярном уровне похожа на немагическую. Однако вся ее структура дополнительно закручена вокруг оси винта, перпендикулярной молекулярным осям. В результате получается слоистая винтовая структура с шагом спирали порядка 300 нм. Такая фаза ведет себя по отношению к падающему излучению подобно интерференционному фильтру, т.е. световые лучи испытывают селективные отражения. Явление во многом аналогично дифракции рентгеновских лучей на кристаллических решетках твердых тел.

Если плоский слой холестерического жидкого кристалла освещать белым светом, то в отраженном свете он будет казаться окрашенным, причем окраска может изменяться в зависимости от угла наблюдения.

Шаг винтовой спирали сильно зависит от внешних воздействий. При изменении температуры изменяется расстояние между молекулярными слоями, соответственно изменяется длина волны максимального рассеяния при заданном угле наблюдения. В результате получается цветовой термометр, который нашел различные применения. Изменение цвета текстуры при изменении температуры называют тер-

мохромным эффектом.

Если холестерическая структура освещается монохроматическим светом, то при постоянном угле наблюдения изменяется интенсивность рассеянного света. На этом принципе возможно создание очень чувствительных датчиков температуры. Подбирая различные по со-

87

ставу вещества, можно осуществить измерения температуры в пределах от -40 до 250°С. Температурный диапазон изменения цветности ограничен интервалом существования мезофазы, который можно регулировать, используя многокомпонентные смеси холестерических жидких кристаллов, в пределах от нескольких десятков градусов до 0,01°С. Таким образом, с помощью жидкокристаллических индикаторов можно зарегистрировать изменения температуры в тысячные доли градуса. Цветовые термоиндикаторы с успехом применяются для целей технической и медицинской диагностики. Они позволяют очень просто получить картину теплового поля в виде цветовой диаграммы. Этот же принцип используется для визуализации инфракрасного излучения и полей СВЧ.

Для управления световым лучом и для визуального отображения информации наибольший практический интерес представляют электрооптические эффекты в нематических жидких кристаллах. Как и в сегнетоэлектриках, весь объем нематического жидкого кристалла разбивается на небольшие области – домены, различающиеся направлением преимущественной ориентации, вследствие чего возникает оптическая неоднородность среды и наблюдается сильное рассеяние света. Такой жидкий кристалл в отраженном и проходящем свете представляется мутным. Для практического использования требуются тонкие однородно ориентированные слои. При этом различают гомогенную (горизонтальную) и гомеотропную (вертикальную) ориентации молекул относительно подложек, которые изготавливают из стекла. Требуемая ориентация достигается специальной обработкой поверхности стеклянных подложек (травление, натирание, скрайбирование, осаждение органических и неорганических покрытий и др.) или введением поверхностно-активных веществ в мезофазу.

По электрическим свойствам нематические жидкие кристаллы относятся к группе полярных диэлектриков с невысоким удельным сопротивлением ( ρ = 106 – 1010 Ом м), значение которого можно легко

регулировать растворением диссоциирующих ионных соединений. Важными характеристиками нематических жидких кристаллов явля-

ются оптическая и диэлектрическая анизотропия. Мерой оптической

анизотропии служит разность ∆n = n║ - n┴ , где n║, n┴ - показатели преломления для световой волны, электрический вектор которой либо параллелен, либо перпендикулярен направлению преимущественной ориентации молекул.

Мерой диэлектрической анизотропии служит величина

∆ε = ε ║ - ε ┴ ,

88

где ε ║, ε ┴ - диэлектрические проницаемости, измеренные вдоль и поперек направления преимущественной ориентации молекул.

В соответствии со знаком ∆ε различают положительную и отрицательную диэлектрическую анизотропию. Положительная анизотропия проявляется в веществах, молекулы которых имеют дипольные моменты, направленные вдоль молекулярных осей. Если же дипольные моменты молекул перпендикулярны их молекулярным осям, то жидкий кристалл обладает отрицательной диэлектрической анизотропией. В сильных электрических полях молекулы нематиков с положительной диэлектрической анизотропией принимают гомеотропную ориентацию т.е. в направлении поля. В этих же условиях для нематиков с отрицательной анизотропией характерна гомогенная ориентация, т.е. молекулы своими длинными осями располагаются перпендикулярно направлению поля.

Рассмотренные свойства нематических жидких кристаллов используются в электрооптических ячейках для управления световым потоком. Конструкция такой ячейки схематично показана на рисунке 8.8. Между двумя стеклянными пластинами, разделенными диэлектрическими прокладками, находится слой жидкого кристалла толщиной 5 - 30 мкм. На внутренние поверхности подложек наносятся управляющие электроды. Ячейка может работать как на просвет, так и в отражающем режиме. В последнем случае один из электродов выполняют непрозрачным.

Рассмотрим устройство отображения информации на жидких кристаллах с отрицательной диэлектрической анизотропией. Исходному состоянию соответствует гомеотропная ориентация молекул мезофазы при которой ячейка прозрачна для падающего света. Под действием внешнего напряжения происходит поворот диполей, и ориентация изменяется на гомогенную. Одновременно сильное электрическое по-

89

ле инициирует поток ионов, который нарушает упорядоченное статическое расположение молекул. При этом возникают турбулентности в мезофазе, которые рассеивают свет. Внешне это проявляется как помутнение ячейки. Геометрия высвечиваемого знака задается формой электрода. При отключении поля ячейка возвращается в исходное прозрачное состояние.

Для получения цветных изображений в жидкие кристаллы вводят молекулы красителя, которые также имеют удлиненную палочкообразную форму и ориентируются параллельно молекулам мезофазы за счет упругого дисперсионного взаимодействия. Внешнее поле изменяет статическую ориентацию молекул, соответственно изменяются спектр поглощения линейно поляризованного света и обусловленный им цветовой контраст электрооптической ячейки.

Жидкие кристаллы, используемые в индикаторных устройствах, обычно представляют собой смесь двух или нескольких соединений. В смешанных системах удается получить более широкий температурный интервал существования мезофазы.

Область применения нематических жидких кристаллов - индикаторные устройства. К таким устройствам относятся дисплеи, крупноформатные табло, цифровые индикаторы для микрокомпьютеров, циферблаты электронных часов и цифровых измерительных приборов. Основными преимуществами таких индикаторов являются: а) хороший контраст при ярком освещении; б) низкая потребляемая мощность; в) совместимость с интегральными схемами по рабочим параметрам и конструктивному исполнению; г) сравнительная простота изготовления и низкая стоимость.

Отметим, что в жидких кристаллах для индикации используется окружающий свет, благодаря чему их потребляемая мощность значительно меньше, чем в других индикаторных устройствах, и составляет 10-4-10-6 Вт/см2. Это на несколько порядков ниже, чем в светодиодах, порошковых и пленочных электролюминофорах, а также в газоразрядных индикаторах. Принципиальными недостатками устройств на жидких кристаллах являются невысокое быстродействие, а также подверженность процессам электро- и фотохимического старения.

8.2.6. Материалы для твердотельных лазеров

Лазер представляет собой источник оптического когерентного излучения, характеризующегося высокой направленностью и большой плотностью энергии.

В основе принципа действия лазеров лежит практически одновременное испускание согласованных по частоте и направлению элек-

90

тромагнитных волн (фотонов) огромным количеством атомов (или молекул) под действием внешнего электромагнитного поля.

Основными элементами лазеров на твердых диэлектриках являются активная среда (рабочее тело), оптический резонатор и система оптической накачки. Активной средой служит кристаллическая или стеклообразная матрица, в которой равномерно распределены активные ионы (активаторы люминесценции). Все процессы поглощения и излучения света связаны с переходами электронов между уровнями активного иона; при этом матрица играет пассивную роль. Тип активного иона в основном определяет спектр излучения лазера.

Рабочее тело лазера изготавливают, как правило, в виде цилиндрического стержня, торцевые поверхности которого обрабатываются с высокой степенью точности. Параллельность торцов выдерживается в пределах нескольких угловых секунд. Для возбуждения активных ионов используется оптическая накачка с помощью мощных газоразрядных ламп.

Необходимым условием работы любого генератора является наличие положительной обратной связи, т.е. часть энергии колебаний должна поступать с выхода генератора на его вход. В оптических квантовых генераторах (лазерах) положительная обратная связь осуществляется резонатором, который обычно выполняют в виде двух плоскопараллельных зеркал. Одно из них полупрозрачно для вывода излучения из активного элемента. Отражающие поверхности резонатора иногда совмещают с торцами рабочего стержня.

Вещество основы должно удовлетворять ряду требований:

1)неактивированная матрица должна быть оптически прозрачной как для излучения накачки, так и излучения активных ионов, вводимых в матрицу;

2)вещество основы должно обладать высокой теплопроводностью, чтобы эффективно рассеивать энергию, выделяющуюся при безызлучательных переходах;

3)матрица должна быть оптически однородной. Механические напряжения, различные микровключения, пузырьки, границы зерен увеличивают пороговую мощность генерации, вызывают паразитное поглощение и рассеяние энергии. Вследствие этого увеличивается расходимость лазерного луча, ослабляется его интенсивность;

4)материал основы должен обладать высокой нагревостойкостью

имеханической прочностью, чтобы выдерживать тепловые перегрузки при высокой плотности излучения накачки и генерации;

5)матрица должна быть устойчива к воздействию ультрафиолетового излучения ламп накачки;