Диэлектрики. Введение

Для современной электронной техники важное
значение приобрели помимо изоляционных и другие свойства твердых и жидких непроводников электричества, позволяющие использовать их для преобразования энергии или информации. Например, пьезоэлектрики, преобразующие механическую энергию в электрическую и обратно, находят применение в пьезофильтрах, излучателях ультразвука, пьезотрансформаторах и пьезодвигателях.
Пироэлектрики, преобразующие тепловую энергию в электрическую, находят применение в чувствительных приемниках излучений, тепловых электронных трубках и других приборах.

Нелинейные свойства сегнетоэлектриков и параэлектриков, постоянные электрические поля, создаваемые электретами, высокая оптическая активность жидких кристаллов
позволяют использовать такие активные диэлектрики для модуля-
ции, детектирования, усиления, регистрации, запоминания, отобра-
жения и других видов преобразования электрических и оптических
сигналов, несущих информацию. Одним из путей является повыше-
ние полифункциональности электронных устройств и поиск новых
научно-технических решений в области информационной и преоб-
разовательной техники, в частности с использованием устройств на
активных диэлектриках.

Применение диэлектрических преобразователей в радиоэлектро-
нике началось с изобретения гидролокатора на основе кварцевого
излучателя ультразвука П. Ланжевеном (в 1916 г.) и
с изобретения У. Кэди пьезоэлектрического кварцевого резонатора (в 1920 г.). Затем последовали работы И. В. Курчатова (1928 – 1932 гг.) по изучению первых сегнетоэлектриков; открытие Б. М. Вулом (1945 г.) сегнетоэлектрических свойств титаната бария, а также бурное развитие с 60-х годов твердотельных лазеров и нелинейной оптики после пионерских работ А. М. Прохорова и Н. Г. Басова, Т. Меймана, Р. В. Хохлова и Н. Бломбергена. В области физики и техники сегнетоэлектриков и пьезоэлектриков выдающуюся роль сыграли отечественные научные школы Г. А . Смоленского (Физико-технический институт РАН , Санкт-Петербург) и Ростовского государственного университета.

Важную роль эти материалы играют также в области миниатюризации телекоммуникационной и СВЧ аппаратуры. По этим причинам в области физического материаловедения в последние годы отмечается повышенный интерес к сегнетоэлектрикам, пироэлектрикам и пьезоэлектрикам – именно в виду их новых применений в приборостроении и электронике, а также вследствие значительного прогресса в области современных микроэлектронных и наноэлектронных технологий.

Перечисленные материалы электронной техники в зарубежной литературе называют smart materials, а в отечественной литературе их относят к активным диэлектрикам.
Эти материалы особенно актуальны для современного и будущего приборостроения, основанного на микромеханике (micromashining). Под микромеханикой понимают применение микроэлектронных групповых технологий для самых различных областей техники. По технологическим приемам и оборудованию современная микромеханика органически связана с микроэлектроникой и наноэлектроникой.

Среди современных применений «активных» диэлектриков следует отметить три особенно
актуальных направления:
(1) тонкие сегнетоэлектрические пленки, интегрированные с полупроводниками;
(2) микросистемы, объединяющие сенсоры, процессоры и актюаторы;
(3) сверхвысокочастотные (СВ Ч) компоненты на основе активных диэлектриков.

Активные диэлектрики можно определить как материальные среды, позволяющие получать непосредственное преобразование
энергии и информации. Так, пьезоэлектрик преобразует электрическую энергию в механическую (и обратно).
Пироэлектрик является теплоэлектрическим (и, соответственно, электротепловым) преобразователем энергии.
Магнитная энергия в некоторых материалах также может быть обратимо преобразована в механическую и тепловую
энергии.
Нелинейные магнитные и диэлектрические устройства позволяют преобразовывать частоту, производить модуляцию и детектирование – преобразовывать информацию.
Эти преобразовательные функции обусловлены физической структурой и химическим составом некоторых материалов, главным образом, диэлектриков.

«Воздействие» на материал производится извне приложением различных полей, – электромагнитных, механических и тепловых.
В диэлектриках в первую очередь выделяется воздействие на них электрическим полем (как известно, в металлах и полупроводниках электрическое поле экранируется свободными носителями заряда и практически равно нулю). При воздействии на диэлектрик других
полей (механического, теплового, магнитного), а также при действии разных излучений (свет, радиоактивность, быстрые частицы и др.) в диэлектриках, прежде всего, рассматриваются изменения их электрических свойств.

Под «откликом» материала понимают индуцированные в нем физические явления. Это могут быть не только электрический ток или напряжение (создаваемое зарядами на поверхности диэлектрика), но также и его намагничивание, деформация, изменение температуры вещества и др.

В таблице 1.1 приведена классификация основ-
ных физических эффектов, которые могут проявляться в различных диэлектриках.

«Воздействиями» служат как векторные поля – электрическое,
магнитное, температурное, высокочастотное электромагнитное
(свет), так и тензорные поля, например, поле механических напря-
жений. «Тривиальными» или обычными можно назвать те отклики-
эффекты, при которых природа отклика соответствует природе воз-
действия, например, электрическое поле приводит к электрическо-
му току (или поляризации), что описывается соответственно такими
параметрами как «проводимость» и «диэлектрическая проницае-
мость» (в верхнем квадратике по диагонали таблицы).Остальные
«тривиальные» параметры расположены на главной диагонали при-
веденной таблицы-матрицы. Эти очевидные эффекты имеют место не
только в активных диэлектриках, но и любых диэлектрических мате-
риалах. Поэтому диэлектрики, в которых имеют место только «три-
виальные» эффекты, могут называться «обычными», и они играют в
технике свою важную и вполне определенную роль.

В нашем случае, однако, особенный интерес представляют те материалы, в которых возможны «перекрестные», недиагональные эффекты. В ряде случаев эти эффекты проявляются настолько сильно, что они позволяют отнести соответствующие материалы к «активным» (их в англоязычной литературе относят к «смартам»).
Таковы пироэлектрики и пьезоэлектрики, а также соответствующие им магнитные и оптические аналоги. Как правило, перекрестные электрические и оптические эффекты наиболее сильны в сегнетоэлектриках.