Физика активных диэлектриков

Федеральное агентство по образованию 
российской Федерации

Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«юЖнЫй ФедеральнЫй Университет»

нии физической и органической химии  
южного Федерального университета

Ю. М. ПоПлавко, л. П. Переверзева,   
И. П. раевскИй

ФИзИка  
актИвных дИэлектрИков

Допущено Министерством образования и науки РФ  
в качестве учебного пособия в образовательном процессе  
по курсу «Физика твердого тела» по образовательной программе 
«Химия, физика и механика материалов»  
и по курсу «Физика конденсированного состояния»  
по образовательной программе «Нанотехнология»

ростов-на-дону

издательство южного федерального университета
2009

Удк 548 
ббк  22.379 
п 57

Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Южного федерального университета

рецензент
профессор В. А. Долгих

Учебное пособие подготовлено и издано 
в рамках национального проекта «Образование» 
по «Программе развития федерального государственного образовательного 
учреждения высшего профессионального образования 
“Южный федеральный университет” на 2007–2010 гг.»

Поплавко Ю. М.,  Переверзева л. П.,  раевский И. П.  
п 57   
Физика активных диэлектриков: учебное пособие / под ред. 
проф. сахненко в. п. / поплавко ю. М.,  переверзева л. п., раевский и. п. – ростов н/д: изд-во юФУ, 2009. – 480 с.
 
 
ISBN 978-5-9275-0636-1
рассматриваются современные представления о поляризации, электропроводности, диэлектрических потерях, электрической прочности и фазовых 
переходах в диэлектриках, а также о новых физических явлениях в этих веществах. особое внимание уделяется свойствам активных диэлектриков – сегнетоэлектриков, пироэлектриков, пьезоэлектриков, электретов и свЧ диэлектриков. представлены сведения о влиянии структуры на свойства активных 
диэлектриков, а также примеры современных и перспективных применений 
данных материалов. некоторые из рассмотренных вопросов ранее в учебной и 
монографической литературе не освещались.
пособие составлено на основе многолетнего опыта авторов по чтению лекций по рассмотренным в книге вопросам, а также с использованием многочисленных публикаций авторов в области пьезоэлектриков, пироэлектриков 
и сегнетоэлектриков. 
рекомендуется для студентов электронных, радиотехнических и радиофизических специальностей вузов, аспирантов и инженеров соответствующих 
специальностей.

©  поплавко ю. М., переверзева л. п.,  
раевский и. п., 2009
©  южный федеральный университет, 2009
©  оформление. Макет. издательство  
южного федерального университета, 2009

 
Удк  548
ISBN 978-5-9275-0636-1 
ББк 22.379 

оглавление

предисловие ................................................................................................. 5

введение   ..................................................................................................11

Глава 1.  отлИчИтельные осоБенностИ дИэлектрИков  .......................17

Глава 2.  электрИческИе, МеханИческИе, теПловые  
И оПтИческИе эФФекты в дИэлектрИках  ...............................36

 
 2.1. Cимметрия кристаллов и их физических свойств ........................36
 
 2.2. Элементы и операции симметрии ..............................................40
 
 2.3. классификация кристаллов по симметрии их структуры .............46
 
 2.4. предельные группы симметрии ................................................55
 
 2.5.  связь между симметрией и физическими явлениями. 
принцип кюри .......................................................................59
 
 2.6.  кристаллофизическая установка кристалла. индексы Миллера ..... 65
 
 2.7.  классификация электро- тепло- механических эффектов в ди- 
электриках ............................................................................71
 
 2.8. оптические эффекты в активных диэлектриках ..........................82

Глава 3. ФИзИческИе основы ПолярИзацИИ дИэлектрИков ...............93

 
 3.1.  векторы электрического поля, индукции и поляризованности ......93
 
 3.2. тензор диэлектрической проницаемости. ...................................97
 
 3.3.  Механизмы электрической поляризации ................................. 101
 
 3.4.  особенности ионной поляризации ........................................... 113
 
 3.5.  динамика упругой поляризации ионных кристаллов ................. 122
 
 3.6.  взаимодействие электромагнитных волн с кристаллами ............ 135

Глава 4.  электроПеренос заряда И электрИческая  
Прочность  ................................................................................. 141

 
 4.1.  основные особенности электропроводности диэлектриков .......... 141
 
 4.2.  нелинейная электронная проводимость в условиях инжекции 
носителей заряда .................................................................. 148
 
 4.3.  ионная электропроводность диэлектриков ............................... 155
 
 4.4.  Частотная зависимость проводимости ...................................... 162
 
 4.5.  Электрическая прочность диэлектриков .................................. 167
 
 4.6. Электродеградация (старение) диэлектриков ............................ 173

Глава 5.  дИэлектрИческИе ПотерИ И дИэлектрИческая  
сПектроскоПИя ......................................................................... 184

 
 5.1.  тангенс угла диэлектрических потерь...................................... 184
 
 5.2. классификация механизмов потерь ......................................... 187
 
 5.3. диэлектрическая спектроскопия ............................................196
 
 5.4. размытый релаксационный спектр дисперсии ε ........................199
 
 5.5. размытый резонансный спектр дисперсии ε  ............................. 207

Глава 6. Фазовые Переходы в дИэлектрИках..................................... 215

 
 6.1. Фазовые переходы первого и второго рода ................................ 216
 
 6.2. Физический смысл параметра порядка .................................... 222
 
 6.3.  сегнетоэлектрические и антисегнетоэлектрические фазовые 
переходы ............................................................................. 226
 
 6.4. сегнетоэластические фазовые переходы ................................... 237
 
 6.5.  критическое изменение проводимости в окрестности фазовых 
переходов ............................................................................ 241

Глава 7. ПьезоэлектрИческИй эФФект И электрострИкцИя ............. 265

 
 7.1. основные определения. ......................................................... 265
 
 7.2. Упругие свойства кристаллов и текстур. .................................. 271
 
 7.3. прямой пьезоэлектрический эффект ....................................... 285
 
 7.4. обратный пьезоэлектрический эффект .................................... 294
 
 7.5.  Электрострикция и электроиндуцированный  
пьезоэффект ......................................................................... 300
 
 7.6. различные механизмы электромеханической связи ................... 305
 
 7.7.  современные пьезоэлектрические и электрострикционные 
материалы ........................................................................... 312

Глава 8. ПИроэлектрИкИ И электреты.................................................. 321

 
 8.1.  определение пироэлектрического эффекта ............................... 323
 
 8.2. пироэлектрические сенсорные элементы и материалы ............... 337
 
 8.3.  Физическая природа собственной полярности кристаллов .......... 356
 
 8.4.  «искусственный пироэффект» – термопьезоэлектричество ......... 365
 
 8.5.  искусственное пироэлектричество в арсениде галлия ................ 383
 
 8.6.  Физические свойства электретов .............................................393

Глава 9. сеГнетоэлектрИкИ ................................................................... 402
 
 9.1. Физические основы сегнетоэлектричества ................................ 405
 
 9.2.  термодинамическая теория сегнетоэлектрических фазовых 
переходов первого рода .......................................................... 420
 
 9.3. применение сегнетоэлектриков в электронике .......................... 427
 
 9.4. нелинейные свойства сегнетоэлектриков ................................. 436
 
 9.5. технические применения сегнетоэлектрических пленок ............ 442

Глава 10. сверхвысокочастотные (свч) дИэлектрИкИ ...................... 456
 
 10.1. основные области применения диэлектриков на свЧ ............... 456
 
 10.2.  Физические механизмы, определяющие диэлектрические  
свойства кристаллов на свЧ ................................................. 458
 
 10.3.  Физические механизмы, определяющие термостабильность ε в  
диапазоне свЧ .................................................................... 466

литератУра ........................................................................................... 475

дополнительнаЯ литератУра ............................................................ 477

ПредИсловИе

синонимом термина диэлектрик раньше считалось слово изолятор, т. е. вещество, практически не проводящее постоянный электрический ток. Многие годы важнейшими свойствами диэлектриков 
считались именно их электроизоляционные свойства: от изоляторов 
требовалась минимальная величина проводимости и диэлектрических потерь, а также максимальная величина электрической прочности – способности сохранять изоляционные свойства при высоких 
электрических напряжениях. 
в настоящее время от электрической изоляции требуется сохранение свойств в широком температурном интервале, в условиях повышенной влажности, при воздействии переменных механических 
нагрузок (вибраций), а в некоторых случаях и при воздействии радиоактивных излучений и химически агрессивной среды. таким образом, требования к электроизоляционным свойствам диэлектриков 
для многих современных технических применений значительно возросли.
в то же время для современной электронной техники важное 
значение приобрели 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 модуляции, детектирования, усиления, регистрации, запоминания, отображения и других видов преобразования электрических и оптических 
сигналов, несущих информацию. одним из путей является повышение полифункциональности электронных устройств и поиск новых 
научно-технических решений в области информационной и преобразовательной техники, в частности с использованием устройств на 
активных диэлектриках.
применение диэлектрических преобразователей в радиоэлектронике началось с изобретения гидролокатора на основе кварцевого 
излучателя ультразвука п. ланжевеном (в 1916 г.) и с изобретения 

Предисловие

6

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. 
Учитывая особые возможности использования диэлектриков как 
«активных» (преобразовательных) элементов, в современной физике 
диэлектриков необходимо выделить и описать их свойства не только 
с точки зрения электроизоляционных характеристик, но и с учетом 
возможности преобразования диэлектриком электрических, оптических, механических и тепловых воздействий. 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;

Предисловие

(3) сверхвысокочастотные (свЧ) компоненты на основе активных 
диэлектриков.
1. Применение пленок (пьезоэлектрических, пироэлектрических, 
сегнетоэлектрических, эпитаксиальных, поликристаллических, полимерных и др.) в последнее время стало расширяться быстрыми темпами с тех пор, как была найдена возможность соединять эти активные диэлектрики в одну монолитную структуру с полупроводниковым 
процессором. такие интегрированные сегнето-полупроводниковые 
устройства представляет собой новый путь в микроэлектронике. 
в этих системах активные диэлектрики являются важной частью 
многофункциональных элементов, существенно расширяющих возможности микроэлектронных процессоров. соединенные с ними 
полупроводниковые микросхемы обеспечивают в интегрированных 
структурах высокую плотность элементов, а также усилительные, 
генераторные и логические функции. таким образом, в подобных 
перспективных устройствах используются уникальные свойства 
как «активных» диэлектрических плeнок, так и микроэлектронных 
интегральных схем. о возрастающем интересе к интегрированным 
устройствам свидетельствует открытие новых специализированных 
научных журналов, например, «Integrated Ferroelectrics» в сШа, а 
также организация ежегодных специальных международных конференций (в 2008 г. проведена уже ХVШ международная конференция 
по направлению «Integrated Ferroelectrics»).
2. Микросистемы – быстро развивающаяся область микроэлектроники и микромеханики. она включает в себя не только микроэлектронные приборы нового типа, но и нового типа «микро-электромеханические» (МЭМс) структуры – новую область электронного 
приборостроения. по своим микроминиатюрным размерам и точности изготовления эти структуры оставляют далеко позади самое 
совершенное машиностроение (fine mechanics), традиционное по 
применяемым технологиям. Микросистема представляет собой миниатюрную комбинированную (электронную, механическую, оптическую и др.) систему, способную получать и обрабатывать данные, 
а также на этой основе «делать заключение» и реализовывать ряд 
исполнительных функций. с этой целью микросистема должна содержать в себе как сенсоры, так и актюаторы, соединенные информационной (микропроцессорной, «интеллектуальной») системой. в 
результате микроминиатюризации эти системы приобретают новое 

Предисловие

8

качество и для них открываются новые области применения, как в 
электронной промышленности, так и в научных исследованиях. 
Микромеханика широко применяет различные активные диэлектрики и использует те же самые технологические преимущества, что и микроэлектроника в электронике, а именно – микроминиатюризацию и групповую технологию. МЭМс технология начала использоваться уже много лет назад для изготовления миниатюрных резонаторов из кристаллов пьезокварца. такие резонаторы 
применяются для частотной стабилизации во многих микроэлектронных устройствах, например, в кварцевых часах. следующим 
важным шагом в микромеханике было еe применение в кремниевых 
структурах, которые завоевали в настоящее время мировой рынок 
микроэлектронных сенсоров (обеспечивающих измерения давления, 
температуры, скорости газовых потоков и др.). в данное время происходит переход от микромеханики к микро-системотехнике.
как уже указывалось, важнейшими элементами микросистем являются сенсоры и актюаторы. они используют физические эффекты 
в твердых телах (полупроводниках и диэлектриках). следует отметить, во-первых, тенденцию перехода от применения полупроводниковых сенсоров к диэлектрическим, которые обладают существенно 
меньшим шумовым фактором. во-вторых, для рабочих тел, используемых в микросистемах, очень важной является способность объединять функции сенсора и актюатора. именно к таким материалам и 
относятся пьезоэлектрики, рассмотрению физических свойств которых в значительной мере посвящено данное учебное пособие.
3. СВЧ диэлектрики с большой диэлектрической проницаемостью 
ε, параэлектрики с электрически управляемой ε, сегнетоэлектрические пленки, обеспечивающие как динамическую, так и долговременную память ЭвМ, приобретают важное значение при дальнейшем 
совершенствовании микроэлектронных устройств. диэлектрические 
материалы широко используются для изготовления таких элементов 
свЧ, как подложки микрополосковых линий, электрические конденсаторы, диэлектрические резонаторы, а также как элементы свЧ 
фильтров и фазовращателей. следует отметить, что современные 
объемные пьезоэлектрические фильтры, интегрированные в кремниевой МЭМс структуре, могут применяться на рабочих частотах 
вплоть до 10 ггц. 
для перечисленных применений необходимы низкие потери 
электромагнитной энергии и высокая температурная стабильность 

Предисловие

свойств диэлектриков, обладающих большой ε. сочетание этих параметров в одном материале можно получить только на основании 
глубокого понимания физики поляризации диэлектриков. в других 
случаях первостепенную важность имеет возможность электрического управления величиной ε при небольших диэлектрических потерях. свЧ параэлектрики с низким поглощением и с управляемой 
величиной ε интенсивно исследуются во многих лабораториях мира и 
начинают находить применение в радиоэлектронике. поскольку современные ЭвМ работают практически уже на сверхвысокой частоте, то и «подзатворные» диэлектрики полевых транзисторов также 
должны иметь на свЧ повышенную ε, низкую электропроводность и 
возможность технологически интегрироваться в полупроводниковые 
чипы. от развития таких технологий зависят дальнейшие успехи в 
повышении плотности электронных элементов на процессоре. 
таким образом, физика современных диэлектрических материалов, применяемых в электронной технике, успешно развивается, и 
эти успехи необходимо отразить в учебных пособиях. как в активных 
тонкоплeночных диэлектрических структурах, интегрированных с 
полупроводниками, так и в микросистемотехнике пироэлектрики, 
пьезоэлектрики и сегнетоэлектрики играют важнейшую роль. в связи с этим в современных учебных курсах «Физическое материаловедение», «Физика конденсированного состояния» и особенно в курсе 
«Физика диэлектриков» свойствам сегнетоэлектриков, пьезоэлектриков и пироэлектриков, а также возможностям их перспективного 
применения в микроэлектронике и микро-системотехнике необходимо уделять большое внимание.
для инженеров в области электроники, радиотехники, приборостроения и соответствующего материаловедения важно получить 
ясное представление о природе диэлектрической проницаемости, о 
механизмах электропереноса зарядов и механизмах потерь, а также об особенных свойствах нецентросимметричных диэлектриков, 
которые обусловливают их способность преобразовывать тепловые, 
механические, оптические и другие воздействия в электрические 
сигналы. 
предлагаемое учебное пособие в значительной мере удовлетворяет вышеперечисленным задачам: будущий инженер сможет ознакомиться с природой основных физических эффектов в диэлектриках, 
а также с параметрами конкретных диэлектрических материалов, на 
которых базируется современная электроника и приборостроение. в 

Предисловие

10

данном учебном пособии использован научный вклад авторов в данную область, а также современная литература, представленная, в 
основном, зарубежными англоязычными изданиями.
настоящее учебное пособие по характеру изложения предполагает предварительное знакомство читателя с курсами общей физики и 
физики твердого тела в объеме программы высших учебных заведений. главы 1 – 6 подготавливают читателя к пониманию основных 
физических явлений, которые происходят в активных и других ди- 
электриках, представляющих интерес для электронной техники. 
главы 7 – 10 посвящены более детальному рассмотрению физических явлений и основанных на них диэлектрических устройств и 
примерам их использования в пьезотехнике, в оптоэлектронике и 
акустоэлектронике, технике свЧ и т. п. Магнитные диэлектрики исключены из рассмотрения в связи с наличием обширной литературы 
по их свойствам и применениям. 
при подготовке книги авторами использованы труды многих 
отечественных ученых, авторов известных монографий по диэлектрикам и сегнетоэлектрикам: г. и. сканави, г. а. смоленского, 
и. с. Желудева, н. п. богородицкого, е. г. Фесенко, в. М. тареева, 
с. н. койкова, и. с. реза и др, а также зарубежных авторов: г. Фрелиха, У. кэди, а. Хиппеля, н. Мотта и др. в списке литературы выделены, главным образом учебники, монографии и основные обзорные 
работы, в которых читатель может найти более полную информацию, 
а также некоторые работы приоритетного характера. 

введенИе

диэлектрики занимают важное место не только в современной 
электротехнике и энергетике, но также в радиотехнике и технике 
связи, в автоматике и приборостроении, в вычислительной и электронной технике. использование электротехнической и электронной 
аппаратуры на севере и в тропиках, на космических и подводных 
кораблях, развитие вычислительной техники и миниатюризация аппаратуры, строительство мощных тепловых, атомных и гидроэлектростанций и высоковольтных сверхдальних линий электропередачи предъявляют новые требования к диэлектрикам и стимулируют 
быстрый прогресс в области диэлектрических материалов. при этом 
диэлектрики служат не только электроизолирующей частью различных элементов, конструкций или аппаратов, но могут быть также активными элементами электрических и электронных схем.
в настоящее время степень миниатюризации и интеграции полифункциональных полупроводниковых и диэлектрических приборов быстро повышается. быстрое развитие электронной техники, 
прежде всего твердотельной, характеризуется непрерывным расширением функциональных возможностей создаваемых новых типов 
элементов, приборов и систем, включая системы обработки сверхбольших потоков информации в реальном масштабе времени. прогресс электроники во все возрастающей степени определяется особыми свойствами используемых материалов, в том числе диэлектрических. Физика и техника диэлектрических материалов все в большей 
степени становится электроникой нанометровых масштабов. 
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. в таблице 1.1 приведена классификация основных физических эффектов, которые могут проявляться в различных 

Введение

12

диэлектриках. для систематизации и наглядности используется метод «воздействие-отклик». 

Таблица В.1 

основные эффекты в «активных» (smart) диэлектриках

Отклик

Воздействие

Электри- 
ческий
Магнитный
Механический
Тепловой
Изменение 
оптических 
свойств

Электрическое 
поле

Поляризация, 
электрический ток

Электро- 
магнитный 
эффект

Обратный пьезоэффект
Электрокалорический 
эффект

Электрооптический 
эффект

Магнитное 
поле
Магнитоэлектрический 
эффект

Намагничивание
Магнитострикция
Магнитокалорический 
эффект

Магнитооптический 
эффект

Механическое напряжение

Прямой 
пьезоэффект

Пьезомагнитный 
эффект

Деформация
Упруготепловой 
эффект

Фотоупругий 
эффект

Изменение 
теплоты
Пироэлектрический 
эффект

Термомагнитный 
эффект

Термическое 
расширение
Теплоемкость
Термооптический эффект
Свет
Фотовольтаический 
эффект

Фотомагнитный эффект
Фотострикция
Поглощение 
света
Преломление и отражение

«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