Реверсивная нелинейность

Сведения о нелинейных свойствах сегнетоэлектрического кристалла можно также получить, если прикладывать к кристаллу сильное постоянное электрическое поле, а e измерять в слабом переменном поле.

Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика, измеренная в слабом поле высокой частоты при одновременном приложении большого постоянного смещающего поля, называется реверсивной диэлектрической проницаемостью e_r .

У большинства сегнетоэлектриков воздействие смещающего поля приводит к снижению e_r , в чем и проявляются нелинейные свойства. Типичная зависимость реверсивной диэлектрической проницаемости от смещающего поля представлена на рис. 2.16. Подобная кривая характерна для сегнетоэлектриков с фазовым переходом 2-го рода, для сегнетоэлектриков с фазовым переходом 1-го рода e_r сначала несколько увеличивается, а затем уменьшается, как и в случае фазовых переходов 2-го рода.

Рис. 2.16.Зависимость реверсивной e от смещающего поля

В отличие от эффективной нелинейности, которая обусловлена перестройкой доменной структуры и которая отсутствует в параэлектрической фазе, где доменов нет, реверсивная нелинейность наблюдается не только в сегнетоэлектрической фазе, но и в парафазе несколько выше Т_С. Более того, реверсивная нелинейность не исчезает на высоких частотах измерительного поля и существует вплоть до СВЧ.

Физическая природа реверсивной нелинейности сегнетоэлектриков еще не вполне ясна. Различными учеными выдвигаются разные гипотезы для ее объяснения. Одно из наиболее распространенных объяснений заключается в следующем: постоянное поле большой напряженности "связывает" переориентацию доменов, и участие доменов в поляризации переменным измерительным полем уменьшается. Это и приводит к понижению e_r. Этот механизм, безусловно, играет роль, когда измерительное поле велико (т.е. имеет такую величину, что при этом имеет место переполяризация доменов) и имеет низкую частоту. Однако этот механизм маловероятен при слабых или высокочастотных полях Е_~, кроме того, он не имеет места выше точки Кюри, где отсутствует доменная структура.

При температурах выше Т_С уменьшение диэлектрической проницаемости может быть связано с явлением насыщения индуцированной поляризации в сильных постоянных электрических полях. В сегнетофазе роль этого механизма мала, т.к. на ионы, электроны и ядра кристалла действуют сильные внутренние поля спонтанной поляризации во много раз большие внешних смещающих полей.

Для оценки нелинейных свойств по постоянному полю вводят относительный коэффициент нелинейности N₌, аналогичный тому, который применяется для характеристики нелинейности по переменному полю

(2.11)

Нетрудно убедиться, что N₌ характеризует крутизну наклона реверсивной характеристики e_r(Е₌) и достигает максимального значения в районе ее максимальной крутизны.

В случае постоянного поля Е₌ коэффициент N₌< 0, а в случае Е_~ величина N_эф может быть как больше, так и меньше нуля, поэтому его значение берут по модулю.

На практике реверсивную нелинейность часто характеризуют коэффициентом реверсивной нелинейности, т.е. отношением максимального значения e_max при Е₌ = 0 к минимальному значению e_min при максимальном значении поля

К₌ = e_max /e_min. (2.12)

Этот коэффициент показывает, во сколько раз изменяется e под влиянием смещающего поля.

Удобной характеристикой нелинейности является также глубина модуляции диэлектрической проницаемости смещающим полем, равная

(2.13)

Отметим, что наиболее сильная зависимость e наблюдается в полях, соответствующих максимальному e_эф.

Билет 12