Пироэлектричество — это явление возникновения электрического поляризационного заряда в диэлектрическом кристалле при изменении его температуры. Оно связано с внутренней структурой кристалла, в частности с асимметричным расположением положительных и отрицательных ионов в элементарной ячейке. В результате этого возникает спонтанная электрическая поляризация, величина которой изменяется при нагревании или охлаждении материала.
Пироэлектрический эффект наблюдается только в кристаллах, обладающих определенной кристаллографической симметрией — чаще всего это кристаллы, относящиеся к нелинейным тетрагональным или тригональным системам. Симметрия кристалла должна быть такой, чтобы в нем существовал полярный осевой вектор, определяющий направление спонтанной поляризации.
Пироэлектрический эффект обусловлен температурной зависимостью спонтанной поляризации Ps:
$$ p = \frac{dP_s}{dT} $$
где p — пироэлектрический коэффициент, Ps — спонтанная поляризация, T — температура.
При изменении температуры кристалла происходит смещение центров положительных и отрицательных зарядов внутри элементарной ячейки. Это смещение приводит к изменению дипольного момента и, как следствие, к появлению электрического тока, если кристалл соединен с внешней цепью.
Величина пироэлектрического эффекта зависит от:
Пироэлектрики делятся на несколько категорий:
Естественные кристаллы:
Керамические материалы на основе перовскитов:
Полимеры и органические материалы:
Особое внимание уделяется искусственным материалам, поскольку их можно поляризовать и структурировать для увеличения пироэлектрического эффекта.
Пироэлектрический эффект сильнее всего проявляется при температурах, близких к фазовым переходам кристалла. Для многих перовскитных керамик существует критическая температура Кюри TC, выше которой спонтанная поляризация исчезает. Ниже этой температуры кристалл имеет нелинейное распределение дипольных моментов, что обеспечивает значительные значения пироэлектрического коэффициента.
Зависимость пироэлектрического коэффициента от температуры обычно носит нелинейный характер. Вблизи точки Кюри коэффициент резко увеличивается, а при удалении от этой точки он постепенно уменьшается.
Пироэлектрический коэффициент p Определяет величину заряда, возникающего на поверхности материала при изменении температуры на один градус. Измеряется в μC/(m2 · K).
Диэлектрическая проницаемость ε Важный параметр, влияющий на накопление и распределение заряда. Для пироэлектрических материалов характерна высокая анизотропная диэлектрическая проницаемость.
Электрическая проводимость σ Пироэлектрики должны быть диэлектриками с низкой проводимостью, иначе утечка заряда сильно снижает эффективность эффекта.
Пироэлектрические материалы находят широкое применение в научной и прикладной технике:
Инфракрасные детекторы Пироэлектрики используются для регистрации теплового излучения, преобразуя температурные изменения в электрический сигнал.
Пьезо- и термочувствительные устройства Комбинирование пиро- и пьезоэффектов позволяет создавать сенсорные элементы с высокой чувствительностью.
Энергетические преобразователи Микроустройства на основе пироэлектриков способны преобразовывать тепловые колебания окружающей среды в электрическую энергию.
Электронные и оптические приборы Используются в модуляторах света, генераторах микроволн и акустооптических устройствах.
Для увеличения эффективности пироэлектрических материалов применяются следующие подходы:
Доменная поляризация Организация однонаправленных доменов кристалла для максимизации суммарной спонтанной поляризации.
Механическое напряжение Введение внутреннего или внешнего давления может усилить анизотропию кристалла и увеличить коэффициент p.
Легирование и добавки Введение примесей в керамику позволяет управлять структурой кристалла и повышать термическую чувствительность.
Тонкопленочные структуры Слойные и пленочные пироэлектрики обладают более высокой откликовой скоростью и меньшей тепловой инерцией.