WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 9 Гигантский пьезоэлектрический эффект в слоистых композитах сегнетоэлектрик–полимер © Г.С. Радченко, А.В. Турик Ростовский государственный университет, 344007 Ростов-на-Дону, Россия E-mail: turik@phys.rsu.ru (Поступила в Редакцию 10 января 2003 г.) Впервые обнаружены гигантские пьезоэлектрический эффект и пьезоэлектрическая релаксация в структурах, состоящих из последовательно соединенных слоев сегнетоэлектрика и полимера. Одновременно возникают гигантские величины статических диэлектрических проницаемостей. Рассмотрены физические механизмы, ответственные за необычное поведение пьезоэлектрических и диэлектрических констант.

Для ряда технических приложений (актюаторы, сен- Если внешнее однородное электрическое поле E3 соры и т. п.) чрезвычайно важно иметь материалы с воз- с круговой частотой (усредненные по слоям комможно большими величинами пьезомодулей (ПМ). Вна- позита величины обозначаются символами со звез стоящее время наибольшие ПМ d33 2500 pC · N-1 уда- дочками) приложено параллельно полярной оси OX3 в отсутствие других компонентов внешних элеклось получить в монокристаллах сегнетоэлектрических трических полей и механических напряжений j твердых растворов Pb(Zn1/3Nb2/3)O3–PbTiO3 (PZN-PT) (1) (2) и Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PbTiO3 (PMN-PT) [1–3]. В на- (в частности, 3 = 3 = 3 = 0), то в обоих сло(n) стоящей работе рассматривается новый механизм гиях индуцируются внутренние электрические поля E3 гантского увеличения ПМ и гигантской пьезоэлектри- (1) (2) (E3 = 1E3 + 2E3 ) и внутренние механические наческой релаксации в композитах из последовательно (n) (n) (1) (2) пряжения 1 = 2 (1 = 11 + 21 = 0). Пьесоединенных слоев компонентов с существенно раззоэлектрические уравнения, связывающие компоненты личающимися диэлектрическими проницаемостями, электрической индукции D(n) и механических дефор3 ПМ d, упругими податливостями s и проводимостя(n) маций i(n)(i = 1; 2; 3) внутри каждого из слоев с Eми. Одновременно достигается гигантское увеличе(n) ние статической диэлектрической проницаемости. По- и j, лученные результаты могут представлять интерес при (n) (n) (n) (n) D(n) = 2d31 1 + 33 E3, проектировании и изучении работы пьезоэлектрических (n) (n) (n) (n) (n) устройств для низкочастотных приложений (сенсоры, 1 = 2 = sE(n) + sE(n) 1 + d31 E3, 11 актюаторы).

(n) (n) (n) (n) 3 = 2sE(n)1 + d33 E3 (1) рассматриваются совместно с граничными условиями 1. Модель и основные формулы (1) (2) (1) (2) D(1) = D(2), 1 = 1, 2 = 2. (2) 3 В основу рассмотрения положена модель [4], позволившая получить точные решения для ПМ и диэлектриЗдесь sEj(n) — упругие податливости (при E = 0) i ческих проницаемостей многослойного (или двухслой- n и 33 = (n) - in/ (n — проводимости) —комплексного) композита со связностью типа 2–2 [5], состоящего ные диэлектрические проницаемости механически своиз двух компонентов (n = 1; 2) с объемными конценбодного ( = 0) образца n-го компонента композита.

трациями 1 и 2. Предполагается, что слои композита Общие формулы для ПМ d31, d33 и диэлектричеимеют бесконечную протяженность в направлениях OX1 ской проницаемости 33, получаемые путем усреднения и OX2 прямоугольной системы координат (X1X2X3), входящих в уравнения (1) компонентов D(n) и (n) по а векторы нормали к поверхности раздела слоев паралформулам лельны OX3. Первый (сегнетоэлектрический) компонент (или оба компонента) поляризован вдоль оси OX3, и оба D = 1D(1) + 2D(2) = 33E3, 3 3 компонента и композит в целом обладают поперечной изотропией (симметрия mm) в плоскости X1OX2, пер- i = 1i(1) + 2i(2) = d3 E3, (3) пендикулярной полярной оси. Заряды на поверхностях могут быть выражены через диэлектрическую пронираздела слоев, создаваемые остаточной поляризацией (1) (2) (2) (1) сегнетоэлектрика, считаются полностью экранированны- цаемость композита 33d = 33 33 /(133 + 233 ) в отми [6]. сутствие поперечного пьезоэлектрического эффекта Гигантский пьезоэлектрический эффект в слоистых композитах сегнетоэлектрик–полимер (n) (n) (n) Величины упругих податливостей sFj(10-12 Pa-1), пьезомодуi (d31 = 0) и пьезоконстанты слоев g(n) = d31 /33, лей dki (pC · N-1) и диэлектрических проницаемостей 33/(n) (n) g(n) = d33 /сегнетокерамики ПКР-73 [8], монокристалла PMN-PT [3] и полиэтилена [9] при 25C d31 = 33d 1g(1) + 2g(2) 31 Константы sE sE sE sE d31 d33 33/11 12 13 ПКР-73 17.9 -6.8 -9.6 23.5 -380 860 g(2) - g(1) s(2) + s(2) - s(1) - s(1) PMN-PT 69.0 -11.1 -55.7 119.6 -1330 2820 - 12 31 31 11 12 11 12, Полиэтилен 1370 -630 -630 1370 0 0 0.1 s(2) + s(2) + 2 s(1) + s(1) 11 12 11 d33 = 33d 1g(1) + 2g(2) 33 0.67Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–0.33PbTiO3 (PMN-PT [3]) и по лиэтилена [9] (слой с n = 2), физические константы g(2) - g(1) s(2) - s(1) которых приведены в таблице. Результаты выполненных - 212 31 31 13 13, компьютерных расчетов представлены на рис. 1 и 2.

1 s(2) + s(2) + 2 s(1) + s(1) 11 12 11 При условии 1/2 1, (1)/(2) 1 и 1/2 0 можно (2) (1) получить гигантское увеличение статической диэлектриg(2) - g(1) d13 - d 33 = 33d 1 - 212 31 31.

ческой проницаемости 330 1/1 [4] (рис. 1).

1 s(2) + s(2) + 2 s(1) + s(1) 11 12 11 Одновременно возникает [4,10,11] гигантская диэлек(4) трическая релаксация. Причиной является огромная Далее нас будут интересовать главным образом статиче(1) напряженность электрического поля E3 E3 / ские (при 0) значения d31, d33 и 33 [4] внутри очень тонкого слоя с большой диэлектрической проницаемостью (1) и малой проводимостью 1. Наи(2) (1) 12 sE(1) + sE(1) - sE(2) - sE(2) 1d31 - 2d31 большее увеличение статической диэлектрической про 11 12 11 d310 = 2 sE(1) + sE(1) + 1 sE(2) + sE(2) 12 + 21 ницаемости достигается при условии 1 0. При этом 11 12 11 диэлектрическая проницаемость изменяется по зако(1) 1d31 2 + 2dну 330 const/(1 - 1c), аналогичному закону Кюри– = +, Вейса, где 1c — критическая концентрация чи12 + сто диэлектрического (n = 1) компонента. При 1 (2) (1) 212 sE(1) - sE(2) 1d31 - 2d1c 0, а 330 вследствие бесконечного увеличе 13 d330 = комплексных диэлектрических 2(sE(1) + sE(1) + 1 sE(2) + sE(2)) 12 + 21 ния абсолютных величин(n) 11 12 11 проницаемостей слоев 33 при 0. Основной вклад (1) (2) в увеличение диэлектрической проницаемости 330 вно1d33 2 + 2d33 +, сит классический диэлектрический член A в выраже12 + нии (5). Фактически поведение 330 точно такое (1) (2) (2) (1) же, как при приближении к порогу перколяции при 212 d31 - d31 1d31 - 2d 330 = 2 sE(1) + sE(1) + 1 sE(2) + sE(2) 12 + 21 фазовом переходе диэлектрик–металл [12,13].

11 12 11 Физический механизм возникновения гигантских величин ПМ (рис. 1) отличается от описанного выше и ра+ A, (5) нее в литературе не рассматривался. Из выражений (4) 2 и (5) видно, что основной вклад в гигантские величины 1(1)2 +2(2)где A = — чисто диэлектрический член, (12+21)ПМ вносят члены, пропорциональные 12, т. е. огромфигурирующий в классической теории максвелл-вагненый поперечный пьезоэлектрический отклик. Поэтому ровской релаксации для непьезоактивных сред [7].в работе [6], основанной на упрощенной модели, в которой не учитывался поперечный пьезоэлектрический отклик, гигантские величины ПМ не обнаружены. Для 2. Результаты и обсуждение их получения в качестве компонента с малой следует использовать сегнетоэлектрик с большими величинами В качестве примера рассмотрим композит, состоящий ПМ, а в качестве компонента с большим значением — из сегнетопьезокерамики ПКР-73 [8] (слой с n = 1) полимерный материал с большими упругими податлиили поляризованного в направлении [001], совпадающем востями |sEj|. Огромная величина поперечного пьезоi с осью OX3 нашей системы координат, монокристалла электрического отклика обусловлена возникновением (1) наряду с E3 больших внутренних механических Общие формулы очень громоздки, поэтому они приводятся в со(1) (1) напряжений 1 = 2 [14]. Последние индуцируются кращенном виде: в (4) опущены члены, вносящие очень малый (ме нее 0.1%) вклад в величины ПМ. Формулы (5) — точные. внешним полем E3 и особенно велики при большом Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 1678 Г.С. Радченко, А.В. Турик различии проводимостей (1/2 1) компонентов, входящих в состав композита, и малой толщине 1 0 пьезоактивного слоя. Закон Кюри–Вейса для статических ПМ не выполняется, а величины d330 и |d310| при 1 = и 1 = 0 достигают очень больших, но не бесконечных значений. Из рис. 1 видно также, что эффективные ПМ рассматриваемых композитов на порядок превосходят наибольшие известные ПМ как сегнетопьезокерамик [8], так и монокристаллов PZN-PT и PMN-PT [1–3].

Гигантская диэлектрическая релаксация на основе максвелл-вагнеровского механизма подробно описана в [4,10,11] и здесь не обсуждается. Гигантская пьезоэлектрическая релаксация иллюстрируется на рис. 2. Пьезо электрические спектры d33 и d31 имеют дебаевский ха рактер. Огромные величины (d330-d33) и (d310-d31) пьезоэлектрической релаксации характерны для сочеРис. 2. Гигантская пьезоэлектрическая релаксация в двухслойном композите со слоями из пьезокерамики ПКР-73 [8] и полиэтилена [9] (a), а также монокристалла PMN-PT [3] иполиэтилена [9] (b). 1 = 10-13 -1 · m-1, 2 = 10-10 -1 · m-1.

1 — d33, 2 — -d31, 3 — d33, 4 — -d31.

тания компонентов, один из которых имеет большие величины пьезомодулей, а другой — большие величины упругих податливостей. При 1/2 1 релаксационная частота r (R2C1)-1 12/1 определяется главным образом емкостью C1 мало проводящего (диэлектрического) компонента и сопротивлением R2 сильно проводящего (полупроводникового) компонента. Учет упругих и пьезоэлектрических свойств компонентов приводит к некоторому увеличению r [4]. При значительном увеличении 2 релаксационная частота увеличивается на много порядков [11]. Однако в любом случае стаРис. 1. Концентрационная зависимость статических пьезо тические пьезомодули d330 и |d310| при r будут модулей d330, d310 (pC · N-1) и статической диэлектрической намного больше их динамических значений при r.

проницаемости 330/0 композита со слоями из пьезокерамики Это обстоятельство необходимо учитывать при проектиПКР-73 [8] и полиэтилена [9] (a), а также монокристалла ровании пьезоэлектрических элементов и устройств для PMN-PT [3] и полиэтилена [9] (b). 1 = 10-13 -1 · m-1, 2 = 10-10 · m-1. 1 — d330, 2 — -d310, 3 — 330/0. низкочастотных (статических) приложений.

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Гигантский пьезоэлектрический эффект в слоистых композитах сегнетоэлектрик–полимер Список литературы [1] S.-F. Liu, S.-E. Park,T.R. Shrout, L.E. Cross. J. Appl. Phys. 85, 2810 (1990).

[2] M.K. Durbin, E.W. Jacobs, J.C. Hicks, S.-E. Park. Appl. Phys.

Lett. 74, 2848 (1999).

[3] R. Zhang, B. Jiang, W. Cao. J. Appl. Phys. 90, 3471 (2001).

[4] A.V. Turik, G.S. Radchenko. J. Phys. D: Appl. Phys. 35, (2002).

[5] R.E. Newnham, D.P. Skinner, L.E. Cross. Mat. Res. Bull. 13, 525 (1978).

[6] D. Damjanovic, M. Demartin Maeder, P. Duran Martin, C. Voisard, N. Setter. J. Appl. Phys. 90, 5708 (2001).

[7] А.Р. Хиппель. Диэлектрики и волны. ИЛ, М. (1960). 440 с.

[8] А.Я. Данцигер, О.Н. Разумовская, Л.А. Резниченко, С.И. Дудкина. Высокоэффективные пьезокерамические материалы. Оптимизация поиска. Пайк, Ростов-на-Дону (1995). 96 с.

[9] F. Levassort, M. Lethiecq, C. Millar, L. Pourcelot. Trans.

Ultrason., Ferrorel., and Freq. Control. 45, 1497 (1998).

[10] M. Shen, S. Ge, W. Cao. J. Phys. D: Appl. Phys. 34, (2001).

[11] V.V. Lemanov, A.V. Sotnikov, E.P. Smirnova, M. Weihnacht.

ФТТ 44, 11, 1948 (2002).

[12] S. Kirkpatrick. Rev. Mod. Phys. 45, 574 (1973).

[13] A.L. Efros, B.I. Shklovskii. Phys. Stat. Sol. (b) 76, 475 (1976).

[14] A.V. Turik. Ferroelectrics 222, 33 (1999).

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.