8.3.1. Электронная тепловая поляризация

Некоторые твердые диэлектрики, содержащие определенного рода дефекты, могут поляризоваться по электронному механизму, обусловленному тепловым движением. Среди них, например, рутил , содержащий анионные вакансии (рис. 8.5).

 

Рис. 8.5. Механизм электронной тепловой поляризации на примере двумерной модели структуры рутила  [74]

 

В одном из узлов дефектной кристаллической решетки рутила может отсутствовать ион кислорода O^2-. Нехватка заряда в этом узле компенсируется тремя ближайшими ионами титана Ti³⁺ (в трехмерном случае таких ионов шесть), т. е. титан становится трехвалентным, и содержит на внешней оболочке по одному слабо связанному электрону. Под действием тепловых флуктуаций два электрона перескакивают между ближайшими к вакансии ионами титана. При этом им приходится преодолевать  некоторый потенциальный барьер.

В отсутствие внешнего поля такие перескоки совершаются хаотически, и поляризация не возникает. Если же к такому диэлектрику приложить электрическое поле, то перескоки становятся в значительной мере согласованными, т. е. возникает преимущественное направление перескоков. Такая согласованность приводит к возникновению результирующего электрического дипольного момента. Время установления (релаксации) электронной тепловой поляризации составляет с. Видно, что оно значительно превышает время релаксации электронной упругой поляризации.

Тепловая электронная поляризация играет существенную роль во многих диэлектриках, например щелочно-галоидных кристаллах, где этот вид поляризации обусловлен появлением F-центров, механизм возникновения которых был рассмотрен в главе 3. С тепловой электронной поляризацией связаны также процессы в твердых электролитах, фотоэлектрические эффекты в люминесцирующих полупроводниках и др.

Поскольку, как мы видели ранее, электрон является частицей, проявляющей квантовые свойства, то при описании его движения и выводе электронной тепловой поляризуемости необходимо основываться на квантово-механических представлениях. Учет этих факторов достаточно сложен и в данном учебном пособии не рассматривается.