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.