1
Ceramiczne izolatory, dielektryki,....
Co to jest dielektryk?
Materiał o zerowej lub prawie zerowej przewodności
elektrycznej; materiał, w którym elektrony są związane z
atomami lub molekułami;
Materiał o szerokiej przerwie energetycznej.
1
Ceramiczne izolatory, dielektryki,....
Co to jest dielektryk?
Materiał o zerowej lub prawie zerowej przewodności
elektrycznej; materiał, w którym elektrony są związane z
atomami lub molekułami;
Materiał o szerokiej przerwie energetycznej.
2
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:
3
Co dzieje się w dielektryku w polu
elektrycznym?
Na dodatnie i ujemne ładunki w polu elektrycznym działa
siła. Zatem:
Atom bez pola
Atom w polu
elektrycznym
Polaryzacja elektronowa
Co dzieje się w dielektryku w polu
elektrycznym?
Jony bez pola
Jony w polu
elektrycznym
Polaryzacja jonowa
4
Co dzieje się w dielektryku w polu
elektrycznym?
Dipole bez pola
Dipole w polu
elektrycznym
Polaryzacja orientacyjna
Wszystkie mechanizmy oddziaływania
dielektryka z polem elektrycznym:
5
Przenikalności dielektryczne różnych
materiałów
Materiał Min. Max.
Materiał Min. Max.
Powietrze 1 1 Krzem
3.2 4.7
Bursztyn 2.6
2.7
Papier
1.5
3
Tytanian
baru
100 1250 Tlenek
tytanu 100
Szkło 3.8
14.5 Pleksi
2.6
3.5
Pyrax 4.6
5
Destylowana
woda
34 78
Kwarc 5
5
Polietylen 2.5
2.5
Kevlar 3.5
4.5
Poliamid 3.4
3.5
Mika 4
9
Polistyren 2.4
3
Celluloid 4 4
Porcelana 5
6.5
Parafina 2 3 Drewno
suche
1.4
2.9
KONDENSATORY
ELEKTROSTATYCZNE
CERAMICZNE
WARSTWOWE
ALUMINUM
TANTALUM
ELEKTROLITYCZNE
AC lub DC
Stosunkowo mała pojemność
•DC
• Duże pojemności
Rodzaje kondensatorów
¾
najpowszechniejsze
¾
najtańsze
6
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
Packaged on tape for auto insertion
Radial Leaded Ceramic Disc
Radial Leaded “Mono”
Axial Leaded “Mono”
Monolithic Multi-layer Ceramic (MLC)
Kondensatory ceramiczne
7
Jednowarstwowe, okrągłe kondensatory
Y5F
102
K
1KV
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
8
Proces kserograficzny
Sercem kserografu jest płyta metalowa pokryta
półprzewodnikiem, a właściwie fotoczułym izolatorem (As,
Se i Te).
Papier też jest izolatorem, dlatego ładunek elektryczny
wprowadzony w dowolny sposób na papier przez jakiś czas
pozostaje na nim (nie przemieszczając się).
Proces kserograficzny
Krok 1: warstwa izolatora równomiernie ładuje się dodatnio;
Krok 2: kopiowany dokument oświetlony jest intensywnym
światłem:
Światło odbija się od białej powierzchni, od reszty – nie;
Odbite światło pada na warstwę izolatora;
Generuje w nim elektrony swobodne, które neutralizują
w tym miejscu ładunek dodatni (płyta jest w niektórych
miejscach naładowana dodatnio, a w innych – nie);
9
Proces kserograficzny
Krok 3: płytę pokrywa się tonerem (węgiel, SiO
2
i
termoutwardzalny polimer);
Toner spada z części obojętnych, przyczepie się do
części naładowanych;
Krok 4: toner jest przyciskany do papieru;
Krok 5: papier oświetla się światłem IR – polimer utwardza
się zamykając wewnątrz węgiel i krzemionkę.
Dielektryki to nie tylko duża
przenikalność
dielektryczna.
To również są inne, ciekawe zjawiska:
ferro-, ferri-, piro-, piezoelektryczność.
10
Ferroelektryki
Wstęp.
Pierwszy materiał ferroelektryczny: Sól Rochella
Wielki postęp w dziedzinie badań oraz zastosowań nastąpił
w latach 1950,
Obecnie najszerzej stosowany ferroelektryk to BaTiO
3
.
11
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).
12
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
(322
K)
Selenian triglicyny (295K)
BaTiO
3
(408K)
KNbO
3
(708K)
PbTiO
3
(765K)
LiTaO
3
(938K)
LiNbO
3
(1480K)
PZT
Perowskity
13
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
14
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).
15
Ferroelektryk nie może mieć środka symetrii.
6, 6mm
_ _
6, 6, 622, 6mm, 6m2
6/m, (6/m)mm
Heksagonalna
3, 3m
3, 32, 3m
_ _
3, 3m
Trygonalna
4, 4mm
_ _
4, 4, 422, 4mm, 42m
4/m, (4/m)mm
Tetragonalna
mm2,
222, mm2
mmm
Rombowa
2, m
2, m
2/m
Jednoskośna
1
1
_
1
Trójskośna
Ferro-
Piezo-
Bez środka symetrii
centrosymetryczne
Struktura
Klasyczny przypadek ferroelektryka:
BaTiO
3
W temperaturze 120 ºC zachodzi przemiana
fazowa, w której Ti przemieszcza się ze
środka sześcianu w stronę jednego z tlenów.
→ Struktura tetragonalna
Struktura regularna (powyżej 120 ºC).
Wiązania Ti-O są naprężone, > 2.0 Å.
16
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
17
Można łatwo obliczyć moment dipolowy każdej
tetragonalnej komórki elementarnej.
Spontaniczna polaryzacja kryształu
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
Jony baru nic nie wnoszą.
W rezultacie, moment dipolowy komórki elementarnej
wynosi:
Spontaniczna polaryzacja kryształu
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
≈
⋅
⋅
=
−
−
18
Duża zmiana przenikalności dielektrycznej:
W rzeczywistości BaTiO
3
przechodzi trzy
przemiany fazowe:
19
W rzeczywistości BaTiO
3
przechodzi trzy
przemiany fazowe:
jednoskośny
romboedryczny
tetragonalny
Domeny ferroelektryczne.
Kryształy
ferroelektryczne
składają się z tzw.
domen
ferroelektrycznych.
20
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.
Domeny ferroelektryczne.
21
Pętla histerezy
E
c
(Pole koercji)
Po wyłączeniu pola
polaryzacje nie maleje
do zera
P
r
(Polaryzacja
resztkowa)
Pole elektryczne
Po
la
ryza
cj
a
Umieszczamy materiał w
polu elektrycznym: domeny
spolaryzowane zgodnie z
polem rosną
Istnienie domen
ferroelektrycznych jest
przyczyną histerezy
ferroelektrycznej
Wielkość pętli histerezy zależy od pracy potrzebnej do
przesunięcia ścian domenowych.
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
a
riz
ati
on
(
C
/m
2
)
E le c tric F ie ld (k V /cm )
22
Zastosowania ferroelektryków:
Najpowszechniej stosowane ferroelektryki;
Jako materiały dielektryczne w kondensatorach;
Detektory;
Tranzystor;
Pamięci ferroelektryczne.
Niektóre stosowane materiały:
Materiał
Wzór
Tc(K)
Ps (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
23
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
MPB
350
o
C
a
c
a
a
a
α
a
Ferroelektryki jako materiały dielektryczne
w kondensatorach
Y5
F
10
2K
1K
V
24
Kondensatory:
Aby dielektryk mógł być stosowany w kondensatorach
powinien mieć dużą przenikalność elektryczną
ε′. Bardzo
dobry jest na przykład BaTiO
3
:
Detektory
Detektory piroelektryczne
Monokryształy siarczanu triglicyny (TGS), LiTaO
3
, and
(Sr,Ba)Nb
2
O
6
są powszechnie używane jako detektory
ciepła.
25
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
Pole
elektryc
zne
: Pb
2+
: Ti
4+
: O
2-
FRAM
Ferroelektryk nie
może samo-rzutnie
zmienić polaryzacji:
w tym celu potrzebna
jest energia.
26
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).
27
Na czym polega piezoelektryczność?
P
siła
P+
∆P
Na czym polega piezoelektryczność?
-
+
+
-
+
-
-
+
+
-
+
-
-
+
-
+
Polaryzacja zależy od działającej siły
28
Istnieje zatem sprzężenie pomiędzy: naprężeniem a
polaryzacją.
Własności piezoelektryka opisuje się za pomocą kilku
wielkości fizycznych:
Stała sprzężenia piezoelektrycznego (d);
Czynnik sprzężenia elektromechanicznego (k).
Na czym polega piezoelektryczność?
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.
29
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.
30
Gotowe elementy są wstępnie polaryzowane w silnym
polu elektrycznym.
Wytwarzanie piezoceramik
Polarization axis
nU
d
L
⋅
≈
∆
n – liczba warstw
U – napięcie
Wytwarzanie piezoceramik: niektóre
konfiguracje piezoelementów
Złożenie szeregu
elementów
piezoelektrycznych
powoduje zwiększenie
efektu.
31
Zastosowania kryształów piezoelektrycznych:
Konwersja energii mechanicznej na elektryczną:
Mikrofony;
Czujniki drgań, mierniki ciśnienia;
Różne urządzenia mierzące i kontrolujące położenie;
Zapalniki gazu;
Bezpieczniki.
Konwersja energii elektrycznej na mechaniczną:
Zawory;
Mikropompy;
Słuchawki i głośniki;
Płuczki ultradźwoiękowe, rozmaite urządzenia do
mieszania i robienia emulsji;
Wszelkie źródła ultradźwięków;
Tłumienie drgań.
Zastosowania kryształów piezoelektrycznych:
32
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.