8.5. Электрострикция, пьезоэффект, пироэффект

Как было показано выше, помещение диэлектрика в электрическое поле вызывает деформацию исходной электронной конфигурации или вращение постоянных диполей. Такие процессы ведут к изменениям размеров твердых тел. Этот эффект, хотя он, в общем, и мал, имеет большое значение. Рассмотрим некоторые особенности рассматриваемого явления.

Изменение размеров твердого тела под действием электрического поля называется электрострикцией. Относительное изменение размеров тела Dl/l пропорционально квадрату напряженности электрического поля Е, так что Dl/l=AE², где А – постоянная величина. Подобная зависимость следует из того факта, что величина относительного изменения размеров не должна зависеть от знака напряженности поля Е. Обратного эффекта не существует, т. е. при наложении механических напряжений электрическое поле в материале не возникает. Большинство диэлектриков, по-видимому, обладает электрострикцией, хотя часто этот эффект оказывается чрезвычайно слабым. Например, у стекла при наложении поля напряженностью 10⁴ В/м линейное удлинение образца не превышает 10 Å/м.

Электрострикция относится к электромеханическим эффектам. Еще один из этого класса эффектов − пьезоэффект. В связи  с тем, что для ряда диэлектриков пьезоэффект имеет достаточно большую величину, он находит более широкое применение чем электрострикция.

Пьезоэлектрики − это диэлектрики, в которых электрическая поляризация возникает под действием приложенных механических упругих напряжений (так называемый прямой пьезоэффект), а также вещества, в которых под действием электрического поля возникает упругая деформация (обратный пьезоэффект). Пьезоэффект наблюдается только в кристаллах, отвечающих определенным требованиям симметрии: он возможен исключительно в кристаллах, не имеющих центра симметрии. Характерным и практически очень важным пьезоэлектриком является кварц − a-SiO₂ (a-кварц). Гексагональная элементарная ячейка SiO₂ (рис. 8.12, а) содержит чередующиеся положительные и отрицательные ионы.

 

Рис. 8.12. Проекция гексагональной ячейки кварца SiO2: а - исходная ячейка; б - растяжение ячейки; в - сжатие ячейки [99]

 

При отсутствии внешних механических напряжений дипольный момент ячейки равен нулю. Если под действием таких напряжений ячейка растянется (рис. 8.12, б) или сожмется (рис. 8.12, в), то возникает дипольный момент. Он будет равен , где q – заряд ионов, Dа – растяжение или сжатие ячейки. Знак “+” относится к растяжению, а “−” к сжатию. Растяжение или сжатие приводит к тому, что на двух противоположных гранях кристалла возникают электрические заряды. Поскольку структура кристалла по разным направлениям внутри него различна, то приложение механических напряжений по разным направлениям будет вызывать различные значения поляризации. Таким образом, пьезоэффект - анизотропное явление. Анизотропия пьезоэлектрических материалов является причиной того, что электромеханические свойства являются тензорными величинами.

Количественно пьезоэффект характеризуется пьезоконстантами − коэффициентами пропорциональности между электрическими величинами (напряженность электрического поля E, поляризация P) и механическим напряжением s. Пьезоконстанты − величины анизотропные.

Вектор поляризации  описывается тремя компонентами  (где i = 1, 2, 3). Для нецентросимметричного кристалла в случае произвольно приложенного напряжения существует линейная связь между компонентами тензора напряжений и поляризации, которую можно представить в виде

,

(8.63)

где  – тензор пьезоэлектрических модулей (пьезомодуль). Для кристаллов различных типов пьезомодули могут сильно различаться. Кроме кварца, пьезоэффект проявляют, например, дигидрофосфат калия (), дигидрофосфат аммония (). Пьезоэлектрические материалы применяются не только в виде монокристаллов, но и в поликристаллическом состоянии в виде спеченных порошков, которые представляют собой различные пьезокерамики. Для использования анизотропности пьезоэлектрических свойств в пьезокерамике создается текстура при помощи прессования порошка в электрическом поле, обеспечивающего предварительную поляризацию.

В силу своих свойств пьезоэлектрики применяются в качестве электромеханических преобразователей разного назначения. Среди них имеются преобразователи механических колебаний среды, в том числе ультразвуковых, в электрические сигналы (здесь используется прямой пьезоэффект). На обратном пьезоэффекте построены преобразователи электрических сигналов в механические перемещения и упругие волны, что составляет основу акустоэлектроники − интенсивно развивающегося направления техники преобразования и обработки радиосигналов. Пьезоэффект используется при создании различных излучателей и приемников ультразвука, стабилизаторов частоты, трансформаторов напряжения и тока [12].

На рис. 8.13 приведена конструкция пьезоэлектрического преобразователя, использующего прямой и обратный пьезоэффекты [114].

 

Рис. 8.13. Схема ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя [98]

 

При детектировании ультразвуковых волн используется прямой пьезоэффект. Меняющееся акустическое давление ультразвуковой волны генерирует на пьезоэлементе переменное напряжение той же самой частоты. При использовании преобразователя как источника ультразвука на него подают переменное напряжение соответствующей частоты, и рабочая поверхность пьезоэлектрического преобразователя является источником ультразвуковых волн.

Одно из современных применений пьезоэффекта как основы для растровой туннельной и атомной силовой микроскопии рассмотрим более подробно.

Пьезоэлектрические управляющие устройства открыли путь к созданию одного из современных вариантов микроскопа ближнего поля – растрового, или сканирующего, туннельного микроскопа, изобретатели которого, Бинниг и Рорер, из компании IBM (США) были удостоены Нобелевской премии в 1986 году (см. приложение В).

В сканирующем туннельном микроскопе роль элемента, с помощью которого получают микроскопическое изображение поверхности твердого тела, играет тончайшее металлическое (как правило, вольфрамовое) острие − зонд, кончик которого может представлять собой один-единственный атом и иметь диаметр около 0,2 нм. Если между объектом и зондом создать разность потенциалов, электроны будут «перескакивать» (туннелировать) через зазор и появится туннельный ток. Величина этого тока чрезвычайно чувствительна к ширине зазора: обычно она уменьшается в 10 раз при увеличении зазора на 0,1 нм. Более подробно явление туннелирования рассмотрено в главе 14.

Пьезоэлектрические устройства позволяют подводить зонд на расстояние 1–2 нм к поверхности исследуемого электропроводящего объекта – настолько близко, что электронные облака на кончике зонда и ближайшего к нему атома объекта перекрываются. Пьезоэлектрические двухкоординатные манипуляторы перемещают зонд вдоль поверхности образца, формируя растровое изображение. При этом параллельные строки растра отстоят друг от друга на доли нанометра. Если бы кончик зонда не повторял профиль поверхности, то туннельный ток менялся бы в очень широких пределах, увеличиваясь в те моменты, когда зонд проходит над выпуклостями (например, над атомами на поверхности), и уменьшаясь до ничтожно малых значений при прохождении зазоров между атомами. Однако зонд заставляют двигаться верх и вниз в соответствии с рельефом поверхности. Осуществляется это с помощью механизма обратной связи, который улавливает начинающееся изменение туннельного тока и изменяет напряжение, прикладываемое к третьему манипулятору, который сдвигает зонд в направлении, перпендикулярном поверхности, таким образом, чтобы величина туннельного тока не менялась, т. е. чтобы зазор между зондом и объектом оставался постоянным. По изменению напряжения на третьем пьезоэлектрическом манипуляторе  компьютер строит трехмерное изображение поверхности. При этом разрешающая способность сканирующего туннельного микроскопа достигает атомного уровня, т. е. могут быть видны отдельные атомы, размеры которых составляют порядка 0,2 нм [16, 17, 21].

Основу пьезоэлектрических манипуляторов перемещения зонда составляет трубчатый пьезоэлемент, меняющий геометрический линейный размер на доли нанометра при  изменении напряжения на нем на единицы вольт. На рис. 8.14 показан такой пьезоэлемент.

 

Рис. 8.14. Трубчатый пьезоэлемент

 

Соединение трех трубок в один узел позволяет реализовать прецизионные перемещения зонда микроскопа в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Такой элемент получил название трипода и является базовым элементом любых зондовых микроскопов (рис. 8.15).

 

Рис. 8.15. Сканирующий элемент в виде трипода, собранный на трубчатых пьезоэлементах

Существуют и другие технологические реализации прецизионных перемещений зонда сканирующего туннельного микроскопа по трем координатам с использованием пьезоэффекта. Одним из них является трубчатый пьезосканер (рис. 8.16), позволяющий реализовать сканирование в плоскости XYZ только на одном трубчатом  пьезоэлементе, имеющем четыре секции на внешней оболочке цилиндрической трубки.

 

Рис. 8.16. Трубчатый пьезосканер

 

Для позиционирования исследуемого образца в сканирующих туннельных микроскопах используются шаговые пьезодвигатели, которые позволяют приблизить исследуемые образцы к зонду и зафиксировать расстояние «зонд-подложка» на уровне, обеспечивающем необходимый туннельный ток. На рис. 8.17. приведена схема такого пьезодвигателя.

 

Рис. 8.17. Шаговый пьезодвигатель: 1 – основание; 2 – пьезоэлектрическая трубка; 3 – электроды; 4 – разрезная пружина; 5 – цилиндрический держатель объекта

Говоря о возможностях сканирующего туннельного микроскопа, нельзя не отметить, что они выходят далеко за рамки чисто микроскопических задач. Например, с его помощью можно, точно направив зонд в определенную точку поверхности и приложив нужное напряжение, как бы «рассечь» молекулу на части, оторвав от нее несколько атомов, и исследовать ее электронные свойства. Американские исследователи экспериментально показали, что, прикладывая к зонду определенное напряжение, можно заставить атомы притягиваться к острию или двигаться вдоль поверхности. Манипуляции с отдельными атомами означают, что можно сконструировать искусственные структуры нанометровых размеров, используя отдельные атомы как кирпичики. Первое приложение, по-видимому, будет касаться хранения информации, ведь компьютерная память основана на том, что бит (единица информации) задается определенным состоянием элемента среды (магнитной, электрической, оптической), в которой записывается информация. Упрощенно говоря, элемент памяти показывает, включено что-то или выключено, присутствует что-либо или отсутствует и т. д. Исходя из этого можно реализовать такую ситуацию на поверхности, когда 1 бит будет записан в виде скопления, например, 1000 атомов.

Cканирующий туннельный микроскоп явился прототипом (базовой моделью) целого семейства еще более совершенных сканирующих микроскопов ближнего поля с зондами-остриями. Необходимость дальнейших разработок диктовалась потребностью избавиться от основного недостатка базового микроскопа – обязательной электропроводности объектов, ведь даже проводники и полупроводники часто покрыты изолирующим слоем оксида. Не проводят ток и биологические материалы.

В 1986 году в США был создан атомно-силовой микроскоп. Здесь образец уже не обязательно должен быть проводящим. Как и в сканирующем туннельном микроскопе, над объектом перемещается крошечное острие – заостренный до атомных размеров (и даже до размера одного атома) осколок алмаза, закрепленный на полоске из металлической фольги. Электронное облако острия алмаза оказывает давление на электронные облака отдельных атомов образца, порождая отталкивающую силу, меняющуюся в соответствии с рельефом поверхности. Эта сила отклоняет кончик острия, перемещения которого регистрируются не электрически (путем измерения туннельного тока), а оптически – с помощью луча лазера, который отражается от верхней части держателя на фотодиодное чувствительное устройство. Механизм обратной связи реагирует на изменения оптического хода луча и воздействует на пьезоэлектрический преобразователь, регулирующий высоту, на которой находится образец, так что отклонение держателя остается постоянным. В соответствии с перемещениями образца строится контур поверхности. Фольга действует как пружина, прижимая кончик острия к исследуемой поверхности.

Еще одно явление, связанное с поляризацией диэлектриков, − пироэффект. Это явление изменения поляризации в кристалле при его нагревании или охлаждении. Оно наблюдается в кристаллах, имеющих полярную ось. В то же время, как и для пьезоэлектрических кристаллов, это означает отсутствие центра симметрии, поэтому пироэлектрики являются одновременно и пьезоэлектриками. Пример такого кристалла – турмалин .

Изменение поляризации с температурой возможно только в таких диэлектриках, в которых поляризация существует спонтанно. Если допустить идеализированный случай одинаковой ориентации всех диполей при температуре, равной 0 К, то при повышении температуры тепловое движение ведет к частичному разупорядочению и уменьшению поляризации (рис. 8.18). Это первичный, или «истинный», пироэффект.

 

Рис. 8.18. Разупорядочение диполей при увеличении температуры

 

Вторичный, или «ложный», пироэффект связан с тепловым расширением диэлектрика. При увеличении линейных размеров меняется и поляризация.

Оба этих эффекта вносят общий вклад в изменение поляризации, который можно представить как

,

(8.64)

где  и  – соответственно пирокоэффициенты первичного и вторичного эффектов.

Пироэлектрики применяются в основном как материал для изготовления чувствительных тепловых датчиков.