Керамика

Под керамикой понимают большую группу диэлектриков с разнооб­ разными свойствами, объединенных общностью технологического цикла.

Слово «керамика» произошло от греческого «керамос», что зна­ чит «горшечная глина». Раньше все материалы, содержащие глину, называли керамическими. В настоящее время под словом «керамика» понимают не только глиносодержащие, но и другие неорганические материалы, обладающие сходными свойствами. При изготовлении из них изделий требуется высокотемпературный обжиг.

Для современной радиоэлектроники важное значение имеют керамические диэлектрики, которым присущи многие положи­ тельные свойства: высокая нагревостойкость, отсутствие у большин­ ства материалов гигроскопичности, хорошие электрические характе­ ристики при достаточной механической прочности, стабильность ха­ рактеристик и надежность, стойкость к воздействию излучения высо­ кой энергии, развитию плесени и поражению насекомыми. Сырье для производства основных радиокерамических. изделий доступно и де­ шево.

Преимуществом керамики является возможность получения зара­ нее заданных характеристик путем изменения состава массы и техно­ логии производства. Некоторые керамические диэлектрики благодаря определенным свойствам позволяют наиболее просто решать ряд задач новой техники. Это относится к сегнетокерамике, пьезокерамике и керамическим электретам.

При массовом производстве керамических изделий основные опе­ рации технологического процесса могут быть полностью автоматизиро­ ваны. Существенным достоинством керамического производства явля­ ется отсутствие ограничений на изготовление изделий необходимой формы и габаритов.

В общем случае керамический материал может состоять из нескольких фаз. Основными фазами являются кристаллическая (одна или не­ сколько) и стекловидная. Кристаллическую фазу образуют различные химические.соединения или твердые растворы этих соединений. Основ­ ные свойства керамики — диэлектрическая проницаемость, диэлектри­ ческие потери, температурный коэффициент линейного расширения, механическая прочность — во многом зависят от особенностей крис­ таллической фазы.

Стекловидная фаза представляет собой прослойки стекла, связываю­ щиекристаллическую фазу. Технологические свойства керамики — температура спекания, степень пластичности керамической массы при формовании — определяются в основном количеством стекловидной фазы. От ее содержания зависят также плотность, степень пористости и гигроскопичность материала. Некоторые виды радиокерамики вообще не содержат стекловидной фазы.

Наличие газовой фазы (газы в закрытых порах) обусловлено способом обработки массы и приводит к снижению механической и электричес­ кой прочности керамических изделий, а также вызывает диэлектричес­ кие потери при повышенных напряженностях поля вследствие иониза­ ции газовых включений.

Принимая во внимание это обстоятель­ ство, необходимо при формовке заготовок давать им завышенные размеры. Заранее оценить усадку довольно трудно, поэтому допуски на размеры керамических изделий, особенно крупногабаритных, сравни­ тельно велики (до 5% от линейного размера).

Керамические материалы, относящиеся к диэлектрикам, по техничес­ кому назначению можно подразделить на установочные и конденсаторные.

Установочную керамикуприменяют для изготовления разного рода изоляторов и конструкционных деталей; опорных, проходных, подвесных, антенных изоляторов радиоустройств, подложек интег­ ральных микросхем, ламповых панелей, внутриламповых изоляторов, корпусов резисторов, каркасов индуктивных катушек, оснований электрических печей и др. Кроме того, из керамики изготавливают свыше 50% всех конденсаторов.

По электрическим свойствам установочную и конденсаторную

улучшению электрических свойств материала, а с другой — ускоряет спекание, образуя жидкую фазу в процессе обжига. В результате удается полу­ чить плотную керамику при относительно невысоких температурах спекания (1360—1370° С).

В качестве установочного материала большое распространение получил ультрафарфор УФ-46, отличающийся простотой технологии и высокой пластичностью массы.

Эвакуумплотных изовых приборов и подложек интегральных микросхем. Из нее изготавливают также внутриламповыеизоляторы с пористой структурой. Пористая керамикавыгодна тем, что при концентрации металличе­ ского геттера, используемого для получения высокого вакуума, а также при осаждении паров бария и тория, возникающих при работе катодаэлектронных ламп, на поверхности керамических внутриламповых изоляторов не образуется сплошной токопроводя­ щей пленки. Крометого, пористая керамика легко выдерживает значительные перепадытемператур, которые неизбежны при изго­ товлении электровакуумного прибора.

лом, обладающим повышенным температурным коэффициентом ли­нейного расширения, например, с медью.

возрастают при ее увеличении. При высоких частотах температурная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь выражена слабо.

Активыне диэлектрики

Активными называют диэлектрики, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий и использо­ вать эти воздействия для создания функциональных элементов элект­ роники. Активные диэлектрики позволяют осуществить генерацию, усиление, модуляцию электрических и оптических сигналов, запоминание или преобразование информации. По мере наращивания сложности электронной аппаратуры и перехода к функциональной электронике роль и значение активных материалов при решении важнейших научных и технических задач непрерывно возрастают.

К числу активных диэлектриков относят сегнето-, пьезо- и пиро­ электрики; электреты; материалы квантовой электроники; жидкие кристаллы; электро-, магнито- и акустооптические материалы; ди­ электрические кристаллы с нелинейными оптическими свойствами и др.

Свойствами активных диэлектриков могут обладать не только твер­ дые, но также жидкие и даже газообразные вещества (например, актив­ ная среда газовых лазеров). По химическому составу это могут быть органические и неорганические материалы. По строению и свойствам их можно подразделить на кристаллические и аморфные, полярные и неполярные диэлектрики. Ряд материалов проявляет свою актив­ ность лишь благодаря наличию в них спонтанной или устойчивой оста­ точной поляризации. Однако поляризованное начальное состояние не является обязательным условием проявления активности материа­ ла при внешних воздействиях. Строгая классификация активных диэлектриковохватывающая многие отличительные признаки этих ма­ териалов,оказывается весьма затруднительной. К тому же резкой гра­ ницы между активными и пассивными диэлектриками не существует. Один и тот же материал в различных условиях его эксплуатации может выполнять либо пассивные фукции изолятора или конденсатора, дибо активные функции управляющего или преобразующего элемента.

В зависимости от технического назначения существенно различны ■итребования к материалам. Так, одно из главных требований, предъ­ являемых к пассивным диэлектрикам, заключается в сохранении ста­ бильности свойств при внешних воздействиях. В то же время тре­ бования к активному материалу совершенно противоположные: чем сильнее изменяются его свойства при внешних возмущениях, тем лучше может выполнять активный элемент функции управления энергией или преобразования поступающей информации.

В большинстве случаев активные диэлектрики классифицируют по роду физических эффектов, которые можно использовать для управ­ ления свойствами материалов. Однако такая классификация, хотя и является вполне логичной и обоснованной, все же не позволяет четко отделить одну группу материалов от другой. Это связано с тем, что многие материалы проявляют высокую чувствительность по отношению к нескольким видам энергетических воздействий. Наибольшей универ­ сальностью в этом плане характеризуются сегнетоэлектрики, которые сочетают в себе свойства пьезо- и пироэлектриков, электрооптических и нелинейно-оптических материалов. Они могут выступать и в качестве электретов. Вместе с тем, сегнетоэлектрики обладают рядом специфических, только им присущих свойств. Важнейшим из них является нелинейное изменение поляризованности при воздействии электричес­ кого поля. Это обстоятельство позволяет выделить сегнетоэлектрики в самостоятельную группу активных диэлектриков. То же самое можно сказать и о жидких кристаллах, спецификой которых является ани­ зотропия свойств и высокая структурная подвижность молекул, прояв­ ляющаяся во многих оптических эффектах, несвойственных другим веществам.

Сегнетоэлектрики

Сегнетоэлектриками называют вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля.

В отсутствие внешнего электрического поля сегнетоэлектрики, как правило, имеют доменную структуру. Домены представляют собой макроскопические области, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, которая возникает под влиянием внутренних процессов в диэлектрике. Направления электрических моментов у разных доменов различно. Поэтому суммарная поляризованндсть образца в це­ лом может быть равна нулю. В принципе, если кристалл имеет малые размеры, то он может состоять всего лишь из одного домена. Однако крупные образцы всегда разбиваются на множество доменов, поскольку одно­ доменное состояние энергетически невыгодно. Разбиение на домены уменьшает электростатическую энергию сегнетоэлектрика.

В монокристалле относительная
ориентация электрических моментов доменов определяется симметрией кристаллической решетки. На­ пример, в тетрагональной модификации титаната бария (ВаТЮ3) возможны шесть направлений спонтанной поляризованности: анти- параллельных или перпендикулярных друг другу. Соответственно для этого случая различают 180-градусные и 90-градусные доменные гра­ницы. Типичная доменная структура для сегнетоэлектриков подобно­

го типа показана на рис. 8.1. Энергетически наиболее выгодной явля­ ется такая структура, при которой обеспечивается электрическая нейт­ ральность доменных границ, т. е. проекция вектора поляризации на границу со стороны одного домена должна быть равна по длине и про­ тивоположна по направлению проекции вектора поляризации со сторо­ ны соседнего домена. По этой причине электрические моменты доме­ нов ориентируются по принципу «голова» к «хвосту». Установлено, что линейные размеры доменов составляют от 10~4 до 10“Асм.

Внешнее электрическое поле изменяет направления электрических моментов доменов, что создает эффект очень сильной поляризации. Этим объясняются свойственные сегне-
тоэлектрикам сверхвысокие значениядиэлектрической проницаемости (до со­ тен тысяч). Доменная поляризация свя­ зана с процессами зарождения и роста новых доменов за счет смещения домен­ ных границ, которые в итоге вызывают переориентацию вектора спонтанной поляризованности в направлении внешнего электрического поля.

Статическая диэлектрическая проницаемость ест определяется по основной кривой поляризации сегнетоэлектрика:

Реверсивная диэлектрическая проницаемость ер характеризует из­ менение поляризации сегнетоэлектрика в переменном электрическом поле при одновременном воздействии постоянного поля.

Эффективную диэлектрическую проницаемость еэф, как и эффектив­ ную емкость конденсатора, определяют по действующему значению то­ ка / (несинусоидального), проходящего в цепи с нелинейным элементом при заданном действующем напряжении U с угловой частотой w:

Диэлектрическую проницаемость, измеряемую в очень слабых электрических полях, называют начальной.

На рис. 8.3 показана типичная для сегнетоэлектриков зависимость статической диэлектрической проницаемости от напряженности поля. Специфические свойства сегнетоэлектриков проявляются лишь в

определенном диапазоне температур. В процессе нагревания выше некоторой температуры происходит распад доменной структуры и сегнетоэлектрик переходит в параэлектрическое состояние. Темпера­ тура 7* такого фазового перехода получила название сегнепюэлектри- ческой точки Кюри. В точке Кюри спонтанная поляризованность исчезает, а диэлектрическая проницаемость достигает своего макси­ мального значения.

По типу химической связи и физическим свойствам все сегнето­ электрики принято подразделять на две группы: 1) ионные кристаллы;

2) дипольные кристаллы.
*У соединений первой группы характерным структурным элементом

кристаллической решетки является кислородный октаэдр, благодаря чему эти материалы получили название сегнетоэлектриков кислород­ но-октаэдрического типа. К ионным сегнетоэлектрикам относятся ти- танат бария (ВаТЮ3), титанат свинца (PbTi03), ниобат калия (KNb03), ниобат лития (LiNb03), танталат лития (LiTa03), йодат калия (КЮ3), барий-натриевый ниобат (Ba2NaNb50 15) или сокращенно — БАНАН и др.

У кристаллов сегнетоэлектриков второй группы имеются гфтовые

Взаимодействие между заряженными частицами соседних ячеек

В техническом применении сегнетоэлектриков наметилось несколько направлений, важнейшими из которых следует считать:

1) изготовление малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью;

2) Использование материалов с большой нелинейностью поля­ ризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и дру­ гих управляемых устройств;

3) использование сегнетоэлементов в счетно-вычислительной техни­

ке в качестве ячеек памяти;
4) использование кристаллов сег- нето- и антисегнетоэлектриков для модуляции и преобразова­

ния лазерного излучения;
5) изготовление пьезоэлектричес­ ких и пироэлектрических преобразователей.

Пьезоэлектрики

К пьезоэлектрикам относят диэлектрики, которые обладают сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом.

Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляри­ зации диэлектрика под действием механических напряжений.

Это явление было открыто братьями Кюри в 1880 г. Возникающий на каждой из поверхностей диэлектрика электрический заряд изменя­ ется по линейному закону в зависимости от механических усилий (рис. 8.11,а):

Q = Q/S = dF/S = q$= P = da, j (8.1)

где Q — заряд; d — пьезомодуль; F — сила; 5 — площадь; qs — заряд, который приходится на единицу площади; Р — поляризованность; а — механическое напряжение в сечении диэлектрика.

Таким образом, пьезомодуль d численно равен заряду, возникающе­ му на единице поверхности пьезоэлектрика при приложении к нему единицы давления.

Пьезоэлектрический эффект обратим. При обратном пьезоэлектри­ ческом эффекте происходит изменение размеров диэлектрика А/// в зависимости от напряженности электрического поля Е по линейному закону (рис. 8.11,6):

где б — относительная деформация.
В термодинамике доказывается, что пьезомодули d прямого и об­ратного пьезоэффектов для одного и того же материала равны между собой.

Деформация пьезоэлектрика зависит от направления электричес­ кого поля и меняет знак при изменении направления последнего. На рис. 8.11,в показано, что при приложении к пьезоэлектрику синусои­ дального электрического поля у него возникают синусоидальные де­ формации той же частоты. Различают также продольный и попереч­ ный пьезоэлектрические эффекты. Под первым понимают такой эффект, когда возникновение зарядов на противоположных гранях пластинки определяют в том же направлении, в котором были приложены меха­ нические усилия, а при обратном пьезоэлектрическом эффекте деформа­ цию измеряют в направлении приложенного электрического поля. При поперечном пьезоэлектрическом эффекте возникающие заряды или деформации измеряют в направлении, перпендикулярном направле­ нию механических усилий или электрического поля соответственно.

Уравнение прямого и обратного пьезоэффектов в тензорной форме принимают следующий вид:

где i = 1, 2, 3 — компоненты вектора поляризованности; / =1, 2...6 — компоненты тензора механического напряжения или деформации. Симметрия кристалла накладывает существенные ограничения на количество компонентов тензора пьезомодуля du> которые отличны

от нуля.
Пьезоэффект наблюдается лишь в веществах с гетерополярной хими­

ческой связью, т. е. пьезоэлектриками могут быть либо ионные, либо сильнополярные диэлектрики. Вто­ рым необходимым условием суще­ ствования пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в структуре диэлектрика. В против­ ном случае деформация вызывает симметричное смещение положи­ тельных и отрицательных зарядов, и электрический момент не возни­ кает. Пьезоэлектриками могут быть лишь вещества с высоким удель­ ным сопротивлением. В достаточно проводящих средах пьезоэлектри­ ческая поляризация быстро ком­ пенсируется свободными носителя­

ми заряда. Поскольку любой ди­ электрик обладает некоторым то­ ком утечки, все применения пьезо­ эффекта связаны gпеременными (быстропротекающими) процесса­ ми.

Плоскопараллельная полированная кварцевая пластинка с элект­ родами и держателем представляет собой пьезоэлектрический резона­ тор, т. е. является колебательным контуром с определенной резонанс­ ной частотой колебаний. Последняя зависит от толщины пластины и направления кристаллографического среза. Преимуществами кварце­ вых резонаторов являются малый tg8 и высокая механическая доб­ ротность (т. е. очень слабые механические потери). В лучших кристал­ лах кварца механическая добротность может составлять 1C6— 107. Это обеспечивает высокую частотную избирательность кварцевых резонаторов. Если в таком резонаторе возбудить колебания на резо­ нансной частоте, то их затухание будет происходить в течение дли­ тельного времени. Кварцевый пьезоэлемент, поставленный во входную цепь электрического генератора, навязывает ему собственную резо­ нансную частоту.

Благодаря высокой добротности кварцевые резонаторы использу­ ются в качестве фильтров с высокой избирательной способностью, а также для стабилизации и эталонирования частоты генераторов (напри- пример, в радиолокационных станциях, в электронных часах и т. п.). Одно из главных требований к таким пьезоэлементам заключается в минимальном уходе резонансной частоты при изменении температуры. Этому требованию лучше всего удовлетворяют пластинки специальных косых срезов по отношению к главным осям.

Ввиду ограниченных запасов природного кварца основные потреб­ ности пьезотехники удовлетворяются искусственно выращиваемыми кристаллами. Их получают гидротермиальным методом. Кристаллиза­ ция происходит из водно-щелочных растворов в стальных автоклавах большой емкости при температуре 350—400°С и давлениях порядка

108 Па. Из-за малой растворимости кремнезема в водных растворах длительность одного цикла выращивания составляет несколько меся-, цев.

Поляризованную сегнетокерамику, предназначенную для исполь­ зования в пьезоэлектрических преобразователях, называют п ь е з о ­ керамикой.

Пьезокерамика имеет перед монокристаллами то преимущество, что из нее можно изготовить активный элемент практически любого размера и любой формы (например, полый цилиндр, являющийся частью гидролокатора). Применение чистого титаната бария ограничивается нежелательным фазовым переходом при температуре, близкой к ком­ натной (см. рис. 8.4). В точке фазового перехода происходит частич­ ная деполяризация керамики, что существенно снижает пьезочувстви­ тельность элементов.

Пьезотрансформаторы предназначены для получения высокого напряжения. Их обычно выполняют в виде пластины или бруска, одна половина которого (возбудитель колебаний) поляризуется по толщине, а другая половина (генератор) — по длине бруска (рис. 8.13). Перемен­ ное электрическое поле, подводимое к зажимам возбудителя, вызывает резонансные механические колебания по длине бруска. В свою оче­ редь, механические колебания, возникающие в генераторной части, приводят к появлению выходного электрического напряжения. Транс­ форматоры могут быть сконструированы для работы в диапазоне частот 10—500 кГц. На более высоких частотах их размеры оказывают лишком миниатюрными, а на более низких — большими. Коэф­ фициент трансформации напряже­ ния, пропорциональный отношению 2//Л, может достигать значений 50 и более.

Пироэлектрики

К пироэлектрикам относят диэлектрики, которые обладают сильно вы­ раженным пироэлектрическим эффектом.

Пироэлектрическим эффектом называют изменение спонтанной по­ ляризованности диэлектриков при изменении температуры.

Уравнение пироэлектрического эффекта записывают в виде:

где Рсп — спонтанная поляризованность диэлектрика; р — пироэлект­ рический коэффициент.

При неизменной температуре спонтанный электрический момент диэлектрика скомпенсирован свободными зарядами противоположного знака за счет процессов электропроводности или адсорбции заряжен­ ных частиц из окружающей атмосферы. Изменение спонтанной поля­ ризованности сопровождается освобождением некоторого заряда на поверхности диэлектрика, благодаря чему в замкнутой цепи возникает электрический ток:

где S — поверхность пироэлектрика; dT/dt — скорость изменения температуры.

Температурное изменение спонтанной поляризованности обуслов­ лено двумя основными причинами. С одной стороны, повышение тем­ пературы нарушает упорядоченность в расположении элементарных дипольных моментов (первичный или истинный пироэффект), а с дру­ гой стороны, нагревание вызывает изменение линейных размеров ди­ электрика и пьезоэлектрическую поляризацию, обусловленную деформацией (вторичный пироэффект). Пироэлектрический коэффициент р учитывает оба эти фактора.

Качество пироэлектрического материала принято характеризовать приведенным физическим параметром

где е — диэлектрическая проницаемость; с — удельная объемная теп­ лоемкость.

Из термодинамической теории сегнетоэлектричества вытекает сле­ дующая зависимость спонтанной поляризованности от температуры:

где А — некоторая константа для данного материала.
Отсюда следует, что пироэлектрический коэффициент возрастает по мере приближения к температуре фазового перехода (7Y);

Отмеченные закономерности в изменении пироэлектрических свойств иллюстрирует рис. 8.14.

Пироэлектрический эффект проявляется и в поляризованной сег- нетокерамике, хотя пироэлектрические свойства поликристаллических образцов заметно хуже, чем у монокристаллов. Для изготовления фото­ приемников можно использовать все виды пьезокерамики, однако наи­ более подходящим материалом для этих целей является керамика ЦТСЛ. Введение добавки окиси лантана позволяет приблизить тем­ пературу Кюри к комнатной и получить более высокие значения пиро­ электрических коэффициентов.

Электреты

Электретом называют тело из диэлектрика, длительно сохраняющее поляризацию и создающее в окружающем его пространстве электри­ ческое поле, т. е. электрет является формальным аналогом постоянного магнита.

Термин электрет был предложен английским физиком Хевисайдом в 1896 г., а образцы электретов были впервые изготовлены японским исследователем Егучи в 1922 г. из охлажденного в сильном элект­ рическом поле расплава полярных диэлектриков: пальмового воска и канифоли. Для уточнения технологии получения такие электреты на­ зывают термоэлектретами. Термоэлектреты способны создавать элект­ рическое поле в окружающем пространстве в течение многих месяцев и даже лет. Большой интерес представляют фотоэлектреты, изготовляе­ мые из материалов, обладающих фотоэлектропроводностью (сера,

сульфид кадмия и др.), при одновременном воздействии света и электрического поля. Фотоэлектреты могут длительно сохранять за­ ряды в темноте и быстро разряжаются при освещении.

Существуют и другие способы получения электретного состояния в диэлектриках. Например, электроэлектреты образуются при воздей­ ствии на диэлектрик только электрического поля без нагрева или об­ лучения. Поле выбирают настолько большим, что над поверхностью диэлектрика возникает газовый разряд (электрическая прочность газа ниже, чем у твердого диэлектрика); ионы, ускоренные полем, бомбар­ дируют поверхность диэлектрика, создавая структурные дефекты и образуя поверхностный заряд. Электризация диэлектрика облегчается при пониженном давлении газа в коронном разряде. Такие электреты называют короноэлектретами.

Образование электретного состояния в диэлектрике поясняет рис. 8.15. Из рис. 8.15,а видно, что на каждой из поверхностей электрета, находящегося под поляризующими электродами, образуются электри­ ческие заряды обоих знаков.

Заряды, перешедшие из поляри­ зующего электрода или из воздуш­ ного зазора на поверхностные ло­ вушки твердого диэлектрика и имею­ щие тот же знак заряда, что и на электроде, называют гомозарядами.

Заряды с противоположным зна­ ком полярности электродов, возни­ кающие в электрете за счет различ­ ных релаксационных механизмов по­ ляризации, называют гетерозаря­ дами.

Разность гетеро- и гомозарядов определяет результирующий заряд поверхности электрета. Преоблада­ нием того или иного заряда объясня­ ется инверсия его знака на поверх­ ности электрета с течением времени.

Время жизни электретов в нормальных условиях может достигать десятков лет. Оно быстро уменьшается с повышением температуры и влажности окружающей среды. При нагревании происходит освобож­ дение носителей заряда, захваченных ловушками, а также нейтра­ лизация объемных зарядов за счет электропроводности диэлектрика. В материалах с очень высоким удельным сопротивлением релаксация заряда, локализованного на глубоких ловушках, происходит очень медленно.

Если электрет поместить между металлическими обкладками (рис. 8.17), то индуцированный заряд на них

где Q — заряд на поверхности электрета; hi — зазор между одной из поверхностей электрета и электродом (принимаем, что зазор между другой поверхностью и электродом бесконечно мал); — толщина электрета; е — диэлектрическая проницаемость материала электрета.

При изменении зазора fit индуцированный заряд также изменяется. При периодическом изменении зазора в цепи между электродами проходит переменный ток, частота которого равна частоте изменения зазора. Так как внутреннее сопротивление системы электрет — элект­ роды при этом велико (107—108 Ом), ток не зависит от внешней на­ грузки, и получается своеобразный генератор переменного тока.

Жидкие кристаллы

Жидкими кристаллами называют такие вещества, которые находятся в промежуточном (мезоморфном) состоянии между изотропной жидко­ стью и твердым кристаллическим телом. С одной стороны, они облада­ ют текучестью, способностью находиться в каплевидном состоянии, а с другой — для них характерна анизотропия свойств и, прежде всего, оптическая анизотропия.

Малость межмолекулярных сил, обеспечивающих упорядоченную структуру жидкого кристалла, является принципиальной основой силь­ ной зависимости свойств от внешних факторов (температуры, давления, электрического поля и др.). Эта зависимость, в свою очередь, открывает богатые возможности при разработке индикаторных устройств раз­ личного назначения.

Последовательность фазовых превращений при нагревании вещества можно предста­ вить следующей ехемой:

твердое тело жидкий кристалл изотропная жидкость

Жидкокристаллическое состояние образуют в основном органичес­ кие соединения е удлиненной палочкообразной формой молекул. Зна­ чительную часть жидких кристаллов составляют соединения аромати­ ческого ряда, т. е. соединения, молекулы которых содержат бензольные кольца

Смектическая фаза характеризуется слоистым строением (рис. 8.18, а). Центры тяжести удлиненных молекул находятся в плоскостях, равноудаленных друг от друга. В Каждом слое молекулы ориентирова­ ны параллельно за счет упругого дисперсионного взаимодействия. Текучесть обеспечивается лишь взаимным скольжением слоев, поэтому вязкость среды достаточно велика. Из-за высокой вязкости смектичес­ кие жидкие кристаллы не получили широкого применения в технике.

В нематической фазе длинные оси молекул ориентированы вдоль одного общего направления, называемого нематическим директором. Однако центры тяжести молекул расположены беспорядочно, так что возникает симметрия более низкого порядка, чем у смектических кристаллов (рис. 8.18,6). При таком строении вещества возможно взаимное скольжение молекул вдоль нематического директора.

Холестерическая фаза на молекулярном уровне похожа на не­ матическую. Однако вся ее структура дополни­ тельно закручена вокруг оси витта, перпендику­ лярной молекулярным осям. В результате по­ “ •лучается слоистая вин­ товая структура с шагом спирали L порядка 300 нм (рис. 8.18, в). Та­ кая фаза ведет себя по отношению к падающе­ му излучению подоб­ но интерференционному фильтру, т. е. световые

Световые лучи испытывают селективные отражения. Явление во многом анало­ гично дифракции рентгеновских лучей на кристаллических решетках твердых тел. Однако масштабы здесь совсем иные: поскольку периоды холестерической спирали составляют сотни нанометров, длины волн?10, удовлетворяющие условию Вульфа — Брэгга, соответствуют видимой области спектра:

где 0 — угол падения лучей; т — порядок дифракционного максиму­ ма.

Если плоский слой холестерического жидкого кристалла освещать белым светом, то в отраженном свете он будет казаться окрашен­ ным, причем окраска может изменяться в зависимости от угла наблю­ дения.

Шаг винтовой спирали сильно зависит от внешних воздействий. При изменении температуры изменяется расстояние между молекуляр­ ными слоями, соответственно изменяется длина волны \ максималь­ ного рассеяния при заданном угле наблюдения. В результате получа­ ется цветовой термометр, который нашел различные применения. Изменение цвета текстуры при изменении температуры называют тер- мохромным эффектом.

Если холестерическая структура освещается монохроматическим светом, то при постоянном угле наблюдения изменяется интенсивность рассеянного света. На этом принципе возможно создание очень чувст­ вительных датчиков температуры. Подбирая различные по составу вещества, можно осуществить измерения температуры в пределах от —40 до 250°С. Температурный диапазон изменения цветности ограни­ чен интервалом существования мезофазы, который можно регулировать, используя многокомпонентные смеси холестерических жидких крис­ таллов, в пределах от нескольких десятков градусов до 0,0ГС. Таким образом, с помощью жидкокристаллических индикаторов можно заре­ гистрировать изменения температуры в тысячные доли градуса. Цвето­ вые термоиндикаторы с успехом применяются для целей технической и медицинской диагностики. Они позволяют очень просто получить кар­ тину теплового поля в виде цветовой диаграммы. Этот же принцип используется для визуализации инфракрасного излучения и полей СВЧ.

Для управления световым лучом и для визуального отображения информации наибольший практический интерес представляют электро­ оптические эффекты в нематических жидких кристаллах. Как и в сег- ретоэлектриках, весь объем нематического жидкого кристалла разби­ вается на небольшие области — домены, различающиеся направлением преимущественной ориентации, вследствие чего возникает оптическая неоднородность среды и наблюдается сильное рассеяние света. Такой жидкий кристалл в отраженном и проходящем свете представляется мутным. Для практического использования требуются тонкие одно­ родно ориентированные слои. При этом различают гомогенную (гори­ зонтальную) и гомеотропную (вертикальную) ориентации молекул относительно подложек, которые изготавливают из стекла. Требуемая ориентация достигается специальной обработкой поверхности стеклян­ ных подложек (травление, натирание, скрайбирование, осаждение органических и неорганических покрытий и др.) или введением поверх­ ностно-активных веществ в мезофазу.

По электрическим свойствам нематические жидкие кристаллы от­ носятся к группе полярных диэлектриков с невысоким удельным со­ противлением значение которого можно легко регулировать растворением диссоциирующих ионных соединений. Важными характеристиками нематических жидких кристаллов явля­ ются оптическая и диэлектрическая анизотропия.

Мерой диэлектрической анизотропии служит величина

где еп и е1 — диэлектрические проницаемости, измеренные вдоль и поперек направления преимущественной ориентации молекул.

В соответствии со знаком Де различают положительную и отрица­ тельную диэлектрическую анизотропию. Положительная анизотропия проявляется в веществах, молекулы которых имеют дипольные момен­ ты, направленные вдоль молекулярных осей. Если же дипольные моменты молекул перпендикулярны их молекулярным осям, то жид­ кий кристалл обладает отрицательной диэлектрической анизотропией. В сильных электрических полях молекулы нематиков с положительной диэлектрической анизотропией принимают гомеотропную ориентацию, т. е. в направлении поля. В этих же условиях для нематиков с отрица­ тельной анизотропией характерна гомогенная ориентация, т. е. моле­ кулы своими длинными осями располагаются перпендикулярно направ­ лению поля.

Рассмотренные свойства нематических жидких кристаллов

Для получения цветных изображений в жидкие кристаллы вводят молекулы красителя, которые также имеют удлиненную палочкообраз­ ную форму, и ориентируются параллельно молекулам мезофазы за счет упругого дисперсионного взаимодействия. Спектр поглощения таких молекул является функцией их ориентации относительно на­ правления поляризации падающего света. Поглощение максимально, если длинные оси молекул параллельны колебаниям электрического вектора свето­ вой волны. Внешнее поле изменяет стати­ ческую ориентацию молекул, соответствен­ но изменяется спектр поглощения линейно поляризованного света и обусловленный им цветовой контраст электрооптической ячейки.

Материалы для твердотельных лазеров

Лазер* представляет собой источник оптического когерентного излу­ чения, характеризующегося высокой направленностью и большой плотностью энергии.

В основе принципа действия лазеров лежит открытое А. Эйнштейном вление вынужденного (стимулированного) излучения. Оно за­ ключается в практически одновременном испускании согласованных по частоте и направлению электромагнитных волн (фотонов) огромным количеством атомов (или молекул) под действием внешнего электро­ магнитного поля. Первые приборы на основе вынужденного излучения были созданы в 50-х годах независимо и почти одновременно в СССР академиками Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым и в США группой ученых во главе с Ч. Таунсом.

Основными элементами лазеров на твердых диэлектриках являются активная среда (рабочее тело), оптический резонатор и система опти­ ческой накачки. Активной средой служит кристаллическая или стек­ лообразная матрица, в которой равномерно распределены активные

ионы (активаторы люминесценции). Все процессы поглощения и излу­ чения света связаны с переходами электронов между уровнями актив­ ного иона; при этом матрица играет пассивную роль. Тип активного иона в основном определяет спектр излучения лазера.

Рабочее тело лазера изготавливают, как правило, в виде цилиндри­ ческого стержня, торцевые поверхности которого обрабатываются с высокой степенью точности. Параллельность торцов выдерживается в пределах нескольких угловых секунд. Для возбуждения активных ионов используется оптическая накачка с помощью мощных газораз­

рядных ламп.
Из радиотехники известно, что необходимым условием работы лю­

бого генератора является наличие положительной обратной связи, т. е. часть энергии колебаний должна поступать с выхода генератора на его вход. В оптических квантовых генераторах (лазерах) положи­ тельная обратная связь осуществляется резонатором, который обычно выполняют в виде двух плоскопараллельных зеркал. Одно из них полупрозрачно для вывода излучения из активного элемента. Отра­ жающие поверхности резонатора иногда совмещают с торцами рабочего стержня.

Несмотря на то, что матрица не участвует в процессах генера­ ции колебаний, многие физические свойства активной среды опреде­ ляются именно матрицей. Поэтому вещество кристаллической или стеклообразной основы должно удовлетворять ряду требований.’

1) неактивированная матрица должна быть оптически прозрачной как для излучения накачки, так и излучения активных ионов, вводи­ мых в матрицу;

2) вещество основы должно обладать высокой теплопроводностью, чтобы эффективно рассеивать энергию, выделяющуюся при безызлуча- тельных переходах;

3) матрица должна быть оптически * однородной. Механические напряжения, различные микровключения, пузырьки, границы зерен увеличивают пороговую мощность генерации, вызывают паразитное поглощение и рассеяние энергии. Вследствие этого увеличивается рас­ ходимость лазерного луча, ослабляется его интенсивность;

4) материал основы должен обладать высокой нагревостойкостью и механической прочностью, чтобы выдерживать тепловые перегрузки при высокой плотности излучения накачки и генерации;

5) матрица должна быть устойчива к воздействию ультрафиолетово­ го излучения ламп накачки;

6) материал должен быть технологичен, т. е. доступен для массово­ го производства цилиндрических стержней необходимых размеров. Увеличение размеров рабочего тела позволяет повысить мощность из­ лучения лазера;

7) структура кристаллической решетки матрицы должна допускать введение активатора в заданной концентрации.

Основные требования к активатору сводятся к следующему:
1. Ионы активатора должны иметь широкие полосы поглощения и узкие сильные линии люминесценции. Чем шире полоса оптическогопоглощения, тем большая часть излучения накачки используется для возбуждения активных ионов. Однако, чем меньше ширина линий люминесценции, тем выше характеристики лазерного излучения и тем меньше мощность, требуемая для накачки. Желательно также, чтобы частота возбуждающего (т. е. поглощающего) излучения не очень сильно превышала частоту лазерного излучения. В противном случае значительная часть поглощаемой энергии будет расходоваться на на­ грев кристаллической решетки.

2. Активатор должен создавать возбужденные метастабильные уровни (т. е. уровни с большим временем жизни), на которых можно накопить значительное количество электронов. При этом время жизни электронов на метастабильных уровнях должно определяться в основ­ ном излучательными оптическими переходами.

3. Ионы активатора должны вво­ диться в матрицу без нарушения ее оп­ тической однородности, механической прочности и термостойкости.

В качестве, активных ионов исполь­ зуются исключительно элементы пере­ ходной группы и редкоземельные эле­ менты, содержащие внутренние неза­ строенные 3d- и 4/-электронные оболоч­ ки. Глубоко расположенные электроны внутренних орбит экранируются внеш­ ними оболочками от электростатическо­ го взаимодействия с соседними ионами кристаллической решетки. Это приво­ дит к слабому расщеплению внутрен­ них уровней и обеспечивает высокую мо­ нохроматичность излучения лазера.