Диэлектрические композиты на основе модифицированного субмикронного титаната бария и цианового эфира ПВС (стр. 3 из 14)

Жидкокристаллические сегнетоэлектрики — широкий класс жидких кристаллов, содержащих упорядочивающиеся полярные молекулы. Они обладают рядом электрических и оптических свойств, характерных для сегнетоэлектриков: резким фазовым переходом, сопровождающимся аномалиями тепловых, диэлектрических и оптических свойств; высокими значениями диэлектрической проницаемости (~ 10²) и другими. Некоторые жидкокристаллические сегнетоэлектрики обнаруживают петли диэлектрического гистерезиса. Оптические свойства сильно зависят от температуры и направленности внешнего электрического поля; на этом основаны наиболее важные применения таких сегнетоэлектриков: оптические индикаторы, транспаранты, дисплеи и другие.

В целом диэлектрики, к которым относится большая часть ионных кристаллов, характеризуются: а) высокой электрической прочностью, т.е. устойчивостью к деградации (изменению структуры) при высоких напряженностях электрического поля; б) низкими диэлектрическими потерями (tg) в переменном электрическом поле.

1.2.3 Важнейшие характеристики диэлектриков

Основными характеристиками диэлектрических материалов являются [14]:

1. Диэлектрическая проницаемость () – безразмерная величина, характеризующая свойства изолирующей (диэлектрической) среды и показывающая, во сколько раз емкость конденсатора в данной среде превышает емкость того же конденсатора в вакууме e = С/С_o.

Емкость конденсатора в вакууме составляет C_o = e_oS/d, диэлектрическая проницаемость вакуума в международной системе физических величин (СИ) является размерной величиной e_o =

= 8,854.10^-12Ф/м.

Диэлектрическая проницаемость связана с поляризуемостью диэлектрика (a), определяющей возможность переориентации его структурных элементов во внешнем электрическом поле и характеризующаяся коэффициентом, связывающим дипольный момент (р) и локальное электрическое поле (Е)

p = aЕ,

(1)

причем a = a_e + a_i + a_d + a_s, где a_e - смещение электронного облака, a_i - ионов, a_d - диполей, a_s - объемного заряда.

Электронная поляризуемость a_e возникает в результате смещения электронных орбиталей атомов относительно ядер и присуща всем твердым телам. У некоторых твердых веществ, например алмаза, _e - единственная составляющая поляризуемости; a_i - связана с относительным смещением или разделением катионов и анионов в твердом теле (определяет поляризацию в ионных кристаллах); a_d - возникает в веществах, имеющих постоянные электрические диполи (H₂O, HCl), которые могут удлиняться или менять ориентацию под действием поля.

Соотношение между ионной и электронной поляризацией характеризует меру упорядоченности электронов относительно ионов кристаллической решетки:

(2)

По вкладу в величину поляризации и диэлектрическую проницаемость a_s> a_d> a_i>a_e. Эти составляющие поляризуемости находят из емкостных, микроволновых и оптических измерений в широком интервале частот (f) (рисунок 1).

Поляризуемость и диэлектрическая проницаемость диэлектриков сильно зависят от частоты прилагаемого электрического поля f.

При f <10³ Гц все составляющие  дают вклад в величину p. При f>10⁶ объемный заряд не успевает образоваться у большинства ионных кристаллов. При f>10⁹ (микроволновая область) - нет поляризации диполей. Область f >10¹² (оптическая), где единственная составляющей поляризации является a_e. В оптической области n² = e'_¥ (показатель преломления в видимой области спектра).

Общий вид зависимости диэлектрической проницаемости от частоты приведен на рисунке 1.

Рисунок 1 - Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты

В области между

и диэлектрическую проницаемость представляют в виде комплексной величины e* = e' - je", где e` - вещественная составляющая, а

где w = 2pf (угловая частота), t - время релаксации (сейчас для описания сложных процессов поляризации в диэлектриках вводится понятие "распределение времен релаксации").

2. Тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ) – безразмерная величина, характеризующая рассеяние электрической энергии в конденсаторе, связанное с переходом этой энергии в тепловую (нагревом конденсатора) и рассеянием в окружающей среде. δ – угол потерь, дополняющий до 90

угол сдвига между током и напряжением в цепи конденсатора и отличный от нуля в силу наличия у реального диэлектрика конечного, а у обкладок – отличного от нуля сопротивления постоянному току и запаздывания поляризации диэлектрика по отношению к изменению внешнего поля. Значения tgδ при заданных внешних условиях зависит от свойств диэлектрика (на не слишком высоких частотах) и материала обкладок. Определяющими величину tgδ процессами в диэлектрике являются его электропроводность и релаксационная поляризация.

Тангенс диэлектрических потерь определяется соотношением:

"/` = tg (4)

Величина tgd для высококачественных диэлектриков составляет порядка 0,001. Например для керамических конденсаторов номиналом (емкостью С) 10...50 пФ tgd не превышает 1,5(150/С+7)^.10^-4. Для конденсаторов номиналом С > 50 пФ tgd не выше 0,0015. Для конденсаторов с емкостью порядка 0,01 мкФ tg ~ 0,035.

Характеристики диэлектриков определяют с использованием вольт-емкостных (C-V) или вольт-фарадных (ВФХ) методов [15].

1.2.4 Факторы, влияющие на свойства диэлектрических материалов

Одним из важнейших факторов, определяющим диэлектрические свойства материалов, является характер остаточной поляризации после прекращения действия внешних электрических, механических и тепловых полей.

В отсутствии внешнего электрического поля сегнетоэлектрики, как правило, имеют доменную структуру, то есть разбиваются на микроскопические области, обладающие спонтанной поляризацией.

Сегнетоэлектрики обладают высокой ` и остаточной поляризацией, что определяет высокую емкость изготавливаемых на их основе конденсаторов. Зависимость между величиной поляризации (Р, Кл/см<sup>2</sup>) и напряженностью электрического поля характеризуется гистерезисом. Форма гистерезиса определяет величину остаточной поляризации (Р<sub>R</sub>) и коэрцитивного поля (Н<sub>с</sub>), которое снимает поляризацию. Например, для BaTiO<sub>3</sub> P <sub>s</sub>= 0,26 Кл/см<sup>2</sup> при 23 С. Зависимость ` от Т достигает максимума при температуре Кюри-Вeйсса (Т_с).

Под действием электрического поля могут происходить следующие процессы: изменение направления поляризации доменов; возрастание поляризации в пределах домена, если не все октаэдры имели одно направление поляризации; движение "стенок" доменов, т.е. изменение их размеров (рисунок 2) .

В антисегнетоэлектриках спонтанная поляризация P_s = 0, отсутствует гистерезис, но вблизи Т_c также наблюдается максимальная e'.

Рисунок 2 - Схема ориентации вектора поляризации структурных единиц в сегнетоэлектриках

Величина напряженности электрического поля может влиять на фазовые переходы второго рода в сегнетоэлектриках (рисунок 3).

Рисунок 3 - Влияние температуры на ориентационные фазовые переходы типа порядок-беспорядок в PbZrO₃

Поскольку максимальная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков достигается при T_c, то необходимо приблизить Т_с к рабочей температуре (обычно около25 С).

1.3 Материалы с высокой диэлектрической проницаемостью

1.3.1 Диэлектрические полимерные материалы

Полимеры с особыми электрическими свойствами находят все более широкое применение в толстопленочной электронике для создания функциональных слоев и композитов. Использование полимеров позволяет построить более гибкие, перенастраиваемые технологии, снизить себестоимость продукции. В частности, полимеры с высоким значением диэлектрической проницаемости используются при формировании конденсаторов а также электролюминесцентных источников света (ЭЛИС).

Выбор полимерного связующего для композитов, составляющих макроструктуру электролюминесцентного конденсатора, определяется требованиями к электрофизическим свойствам функциональных слоев.

Разработка новых высокомолекулярных соединений с высокой ε внесла бы существенный вклад в производство изделий пленочной электроники, конденсаторов, а также электролюминесцентных источников света [16, 17, 21].

Широко применяемые полимерные материалы характеризуются невысокими значениями , которые не превышают 1,5–4 [18]. Диэлектрическую постоянную полимера можно увеличить до 4–6 посредством его растворения в некоторых низкомолекулярных диэлектриках с большим значением ε. Это, однако, связано с повышением электропроводности и tg δ материала, что очень нежелательно [19].