DIELEKTRYKI, IZOLATORY, FERROELEKTRYKI, PIEZOELEKTRYKI,... Wszelkiego rodzaju ceramiki dielektryczne

Transkrypt

1 DIELEKTRYKI, IZOLATORY, FERROELEKTRYKI, PIEZOELEKTRYKI,... Wszelkiego rodzaju ceramiki dielektryczne

2 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.

3 Dielektryk w kondensatorze: Zwiększa jego pojemność C = εc 0 Zwiększa energię, która może być zmagazynowana w kondensatorze: W = εw 0 Zwiększa maksymalne napięcie, które można przyłożyć do kondensatora: Powietrze: 3 kv/mm, Pyrex: 14 kv/mm.

4 Skąd wynikają właściwości dielektryków:

5 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

6 Co dzieje się w dielektryku w polu elektrycznym? Jony bez pola Jony w polu elektrycznym Polaryzacja jonowa

7 Co dzieje się w dielektryku w polu elektrycznym? Dipole bez pola Dipole w polu elektrycznym Polaryzacja orientacyjna

8 Wszystkie mechanizmy oddziaływania dielektryka z polem elektrycznym:

9 Przenikalności dielektryczne różnych materiałów Material Min. Max. Material Min. Max. Air 1 1 Silicone Amber Paper Barium Titanate Titanium Dioxide 100 Glass Plexiglass Glass Pyrex Water distilled Quartz 5 5 Polyethylene Kevlar Polyimide Mica 4 9 Polystyrene Celluloid 4 4 Porcelain Paraffin 2 3 Wood dry

10 Wartości pojemności CERAMIC FILM CERAMIC FILM TANTALUM ALUMINUM 1.0pF 0.10uF 10uF 1000uF ALUMINUM 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 TANTALUM CERAMIC FILM pf = Pico-Farad = 1 x F = 1 trillionth of a Farad

11 Kondensatory ceramiczne Radial Leaded Mono Axial Leaded Mono Radial Leaded Ceramic Disc Monolithic Multi-layer Ceramic (MLC) Packaged on tape for auto insertion

12 Jednowarstwowe, okrągłe kondensatory Ceramiczny dysk Srebrne elektrody po obu stronach Kontakty elektryczne Y5F 102K 1KV Warstwa ochronna

13 Jednowarstwowe, okrągłe kondensatory Cap Value 102 = 1000pF Dielectric Y5F Cap Tolerance C = +/-.25pF D = +/-.5pF F = +/-1% G = +/-2% J = +/-5% K = +/-10% M = +/-20% Z = +80%/-20% Dielectric Y5P Voltage 1KV = 1000VDC Cap Value 103 = 0.01uF Voltage 1KV = 1000VDC Example shown P/N: NCD102K1KVY5F Example shown P/N: NCD103K1KVY5PTR

14 Wielowarstwowe kondensatory Warstwy są prasowane i spiekane razem Pięć warstw - W rezultacie, pojemność jest pięć razy większa niż przy jednej warstwie.

15 Dielektryki to nie tylko duża przenikalność dielektryczna. To również są inne, ciekawe zjawiska: ferro-, ferri-, piro-, piezoelektryczność.

16 Ferroelektryki

17 Wstęp. Pierwszy materiał ferroelektryczny: Rochelle Salt. Wielki postęp w dziedzinie badań oraz zastosowań nastąpił w latach 1950, Obecnie najszerzej stosowany ferroelektryk to BaTiO 3.

18 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). Ferroelektryki mają zazwyczaj bardzo duże przenikalności dielektryczne. Każdy ferroelektryk jest piezoelektrykiem (ale nie odwrotnie).

19 Zagadnienia: Materiały ferroelektryczne; Temperatura Curie i przemiany fazowe; Spontaniczna polaryzacja i efekt piroelektryczny; Domeny ferroelektryczne; Histereza dielektryczna; Zastosowania ferroelektryków.

20 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

21 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).

22 Możliwe przemiany fazowe: T>T c T=T c T<T c

23 Możliwe własności w polu elektrycznym: E=0 T<T c E Ferroelektryk Piroelektryk Antyferroelektryk

24 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).

25 Ferroelektryk nie może mieć środka symetrii. Struktura centrosymetryczne Bez środka symetrii Triclinic Piezo- Ferro- _ Monoclinic 2/m 2, m 2, m Orthorhombic mmm 222, mm2 mm2, Tetragonal Trigonal Hexagonal 4/m, (4/m)mm 4, 4, 422, 4mm, 42m 4, 4mm 3, 3m 3, 32, 3m 3, 3m 6/m, (6/m)mm 6, 6, 622, 6mm, 6m2 6, 6mm

26 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

27 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.

28 Spontaniczna polaryzacja kryształu

29 Spontaniczna polaryzacja kryształu Można łatwo obliczyć moment dipolowy każdej tetragonalnej komórki elementarnej. Moment dipolowy: r p = r ql Gdzie q jest ładunkiem, natomiast l jest wektorem łączącym ładunki nm Ti nm Ba +2 O -2

30 Spontaniczna polaryzacja kryształu Jony baru nic nie wnoszą. W rezultacie, moment dipolowy komórki elementarnej wynosi: r p Polaryzacja: = Cm P = 9 ( Cm m) C / m 2

31 Duża zmiana przenikalności dielektrycznej:

32 W rzeczywistości BaTiO 3 przechodzi trzy przemiany fazowe:

33 W rzeczywistości BaTiO 3 przechodzi trzy przemiany fazowe: romboedryczny jednoskośny tetragonalny

34 Domeny ferroelektryczne. Kryształy ferroelektryczne składają się z tzw. domen ferroelektrycznych.

35 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

36 Domeny ferroelektryczne.

37 Pętla histerezy Istnienie domen ferroelektrycznych jest przyczyną histerezy ferroelektrycznej Polaryzacja Po wyłączeniu pola polaryzacje nie maleje do zera P r (Polaryzacja resztkowa) Umieszczamy materiał w polu elektrycznym: domeny spolaryzowane zgodnie z polem rosną Pole elektryczne E c (Pole koercji)

38 Pętla histerezy Polarization (C/m 2 ) PZT-PSM PZT-PSM-Ce PZT-PSM-Eu PZT-PSM-Yb Electric Field (kv/cm) Wielkość pętli histerezy zależy od pracy potrzebnej do przesunięcia ścian domenowych.

39 Zastosowania ferroelektryków: Najpowszechniej stosowane ferroelektryki; Jako materiały dielektryczne w kondensatorach; Detektory; Tranzystor; Pamięci ferroelektryczne.

40 Niektóre stosowane materiały: Materiał Wzór Tc(K) Ps (10-2 Cm -2 )a Barium titanate BaTiO3 183,278,393 ~20 Boracite Mg 3 B 7 O 13 Cl Lead titanate PbTiO ~75 Lead zirconate PbZrO b Lithium niobate LiNbO (KDP) KH 2 PO e Rochelle salt NaKC 4 H , f Sodium niobate NaNbO b 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

41 Najsłynniejszy ferroelektryk: PZT PZT jest to roztwór stały dwóch perowskitów: tetragonalnego (PbTiO 3 ): 6 kierunków polaryzacji romboedrycznego (PbZrO 3 ): 8 kierunków polaryzacji Cubic Perovskite a Rhombohedral a Tetragonal O 2- Pb 2+ Zr 4+ /Ti 4+ PbTiO PbZrO o C 3 MPB α a a a Ps c a Ps

42 Ferroelektryki jako materiały dielektryczne w kondensatorach Y5F 102K 1KV

43 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.

44 Kondensatory: Częściowe zastąpienie Ba mniejszym jonem (np. Sr 2+) ; powoduje zmniejszenie komórki elementarnej i obniżenie temperatury krytycznej.

45 Detektory Detektory piroelektryczne Monokryształy siarczanu triglicyny (TGS), LiTaO 3, and (Sr,Ba)Nb 2 O 6 są powszechnie używane jako detektory ciepła.

46 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.

47 FRAM Pole elektry czne Energy Ferroelektryk nie może samorzutnie zmienić polaryzacji: w tym celu potrzebna jest energia. : Pb 2+ : Ti 4+ : O 2- -Z +Z

48 FRAM Hynix 64K FeRAM Używany ferroelektryk: napylona warstwa domieszkowanego PZT

49 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).

50 Na czym polega piezoelektryczność? P siła P+ P

51 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).

52 Stała sprzężenia piezoelektrycznego: polaryzacja = d σ + ( ε 1) ε E 0 Jednostką d jest m/v W ceramikach piezoelektrycznych (PZT) stała sprzężenia jest rzędu pm/v. W piezopolimerach 30 pm/v.

53 Najczęściej używane piezoelektryki: Układ tytanian ołowiu-cyrkonian ołowiu (PZT); Tytanian ołowiu (PbTiO 2 ); Tytanian baru (BaTiO 3 ); Polimery (polifluorek winylidenu PVF 2 ).

54 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.

55 Wytwarzanie piezoceramik Gotowe elementy są wstępnie polaryzowane w silnym polu elektrycznym.

56 Wytwarzanie piezoceramik: niektóre konfiguracje piezoelementów L d nu n liczba warstw U napięcie Polarization axis Złożenie szeregu elementów piezoelektrycznych powoduje zwiększenie efektu.

57 Zastosowania kryształów piezoelektrycznych: Konwersja energii mechanicznej na elektryczną: Mikrofony; Czujniki drgań, mierniki ciśnienia; Różne urządzenia mierzące i kontrolujące położenie; Zapalniki gazu; Bezpieczniki.

58 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.

59 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.