«БАРИЯ ТИТАНАТ»

ВаТiO₃, бесцв. кристаллы; т. пл. 1616

БАРИЯ ТИТАНАТ

БАРИЯ ТИТАНАТ, сегнетоэлектрик(см. СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ), по своему техническому применению занимающий одно из ведущих мест. Изучение нелинейных свойств титаната бария (BaTiO₃), начатое Б. М. Вулом(см. ВУЛ Бенцион Моисеевич) в 1944 послужило импульсом к развитию теоретических и экспериментальных работ в области сегнетоэлектричества.

В кристаллах титаната бария наблюдаются три фазовых перехода, сопровождающиеся изменением структуры и свойств. Фазовые переходы в титанате бария относятся к переходам типа смещения.

При температурах выше 120^оС титанат бария имеет кубическую кристаллическую структуру типа перовскита (см. Структурные типы кристаллов(см. СТРУКТУРНЫЕ ТИПЫ КРИСТАЛЛОВ)). Эта параэлектрическая модификация относится к пространственной группе Pm3m. В состав элементарной ячейки, имеющей форму куба, входит одна структурная единица типа АВО₃. Основу структуры составляют кислородные октаэдры, в центре которых расположены ионы титана. Ионы кислорода расположены по центрам граней кубов, составленных из ионов бария. Ион титана имеет некоторую свободу перемещения в пределах кислородного октаэдра. При температурах выше Т_к вследствие интенсивного теплового движения ион титана непрерывно перебрасывается от одного кислородного иона к другому, так что его положение, усредненное во времени, совпадает с центром ячейки. Благодаря центральной симметрии такая ячейка не обладает электрическим моментом.

При температуре около 120^оС, являющейся для титаната бария температурой Кюри, в титанате бария происходит фазовый переход, и в интервале температур от температуры Кюри до температуры примерно 5^оС BaTiO₃ является сегнетоэлектриком, имеющим тетрагональную симметрию класса P4mm. В этом интервале температур (ниже Т_к=120^оС) энергия теплового движения недостаточна для переброса иона титана из одного равновесного положения в другое, и он локализуется вблизи одного из окружающих его кислородных ионов. В результате кубическая симметрия в расположении заряженных частиц нарушается, и элементарная ячейка приобретает электрический момент. При фазовом переходе ион титана скачком смещается вдоль одной из осей куба, в результате чего возникает тетрагональная структура. Соседние ионы титана смещаются в том же направлении, что и приводит к появлению макроскопической поляризации, т. е. сегнетоэлектричеству. При искажении формы ячейки скачком возникает спонтанная поляризация, величина которой плавно нарастает от Ps =18мкк/см² при точке Кюри до примерно 26 мкк/см² при комнатной температуре. Титанат бария имеет несколько равноправных направлений поляризации и является примером многоосного сегнетоэлектрика.

При температурах ниже 5^оС по мере того, как ионы Ti смещаются вдоль других осей куба, происходит второй фазовый переход, кристалл становится ромбическим. Вблизи температур -70^оС — -90^оС титанат бария испытывает третий фазовый переход и ниже этих температур имеет ромбоэдрическую структуру.

Во всех точках фазового перехода происходит скачкообразное изменение параметров и объема ячейки. При всех переходах имеет место также температурный гистерезис, т. е. температура перехода зависит от того, охлаждается или нагревается кристалл.

Спонтанная поляризация в сегнетоэлектрической фазе титаната бария сопровождается электрострикцией(см. ЭЛЕКТРОСТРИКЦИЯ), кристалл становится пьезоэлектриком(см. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ), процесс, происходящий в кристалле, является спонтанным пьезоэлектрическим эффектом(см. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ).

На кристаллах BaTiO₃ в сильных полях наблюдаются четкие петли диэлектрического гистерезиса. На низких частотах коэрцитивное поле Е_с составляет 500—2000 в/см. Диэлектрическая проницаемость титаната бария в слабых полях зависит от температуры, при температурах фазовых переходов достигает больших значений. Кристаллы BaTiO₃ обладают полупроводниковыми свойствами, имеют ширину запрещенной зоны порядка 3 эВ.

Титанат бария и некоторые другие кислородно-октаэдрические сегнетоэлектрики широко используются в промышленности как пьезоэлектрики, главным образом в виде сегнето- и пьезокерамики.