Кіріспе

Пироэлектрлік (грекше: pyr (πυρ), "от" және электр) – табиғи түрде электрлік поляризацияланған және нәтижесінде күшті электр өрістерін қамтитын кейбір кристаллдардың қасиеті. Пироэлектрлік – белгілі бір материалдардың қыздырылған немесе суытылған кезде уақытша кернеу тудыру қабілеті ретінде сипатталады.

Түсіндірме

Минералдардағы пироэлектрлік заряд асимметриялық кристалдардың қарама-қарсы беттерінде дамиды. Зарядтың таралу бағыты пироэлектрлік материал ішінде әдетте тұрақты болады, бірақ кейбір материалдарда бұл бағыт жақын жердегі электр өрісімен өзгертілуі мүмкін. Мұндай материалдар ферроэлектрлік қасиеттерге ие деп айтылады. Белгілі барлық пироэлектрлік материалдар сонымен қатар пьезоэлектрлік болып табылады. Пироэлектрлік болғанымен, борон-алюминий нитриді (BAlN) және борон-галлий нитриді (BGaN) сияқты жаңа материалдар, белгілі бір құралымдарда c осьі бойындағы деформацияға жауап ретінде нөлдік пьезоэлектрлік реакцияны көрсетеді, бұл екі қасиеттің тығыз байланысты екенін көрсетеді. Дегенмен, кейбір пьезоэлектрлік материалдардың кристалдық симметриясы пироэлектрлікке мүмкіндік бермейтінін ескеру қажет. Пироэлектрлік материалдар көбінесе қатты және кристалды болып келеді; алайда, электреттерді пайдалану арқылы жұмсақ пироэлектрлікке қол жеткізуге болады. Пироэлектрлік температура өзгеруіне пропорционалды таза поляризацияның (вектор) өзгеруі ретінде өлшенеді. Тұрақты кернеуде өлшенген жалпы пироэлектрлік коэффициент – тұрақты деформациядағы пироэлектрлік коэффициенттердің (біріншілік пироэлектрлік эффект) және жылулық кеңеюден туындаған пьезоэлектрлік үлесінің қосындысы болып табылады. Қалыпты жағдайларда, тіпті полярлы материалдар да таза дипольдық моментті көрсетпейді. Осының салдарынан, бар магниттерге тең электрлік дипольдық баламалар жоқ, себебі ішкі дипольдық момент ішкі өткізгіштік арқылы немесе қоршаған ортадан жиналған «еркін» электр зарядымен теңестіріледі. Полярлы кристалдар тек қана белгілі бір бұзылған кезде ғана өз табиғатын көрсетеді, бұл компенсациялық беттік зарядпен уақытша тепе-теңдікті бұзады. Өздігінен поляризация температураға тәуелді, сондықтан температураның өзгеруі – беттерге және олардан заряд ағынын тудыратын жақсы бұзылу зонды болып табылады. Бұл пироэлектрлік эффекті. Барлық полярлы кристалдар пироэлектрлік, сондықтан 10 полярлы кристалл класын кейде пироэлектрлік кластар деп атайды. Пироэлектрлік материалдар инфрақызыл және миллиметрлік толқынды сәулеленуді анықтау үшін қолданылуы мүмкін. Электрет – тұрақты магниттің электрлік эквиваленті.

Тарих

Пироэлектрлік әсерді алғаш рет 1707 жылы Иоганн Георг Шмидт сипаттады, ол "[ыстық] турмалиннің магнит темірді тартатындай, ыстық немесе жалыны бар көмірден күлді тарта алатынын, бірақ оларды қайтадан итергісін келгенін [тигеннен кейін] байқады". 1717 жылы Луи Лемери Шмидт сияқты, өткізбейтін материалдың кішкентай бөлікшелері алдымен турмалинге тартылатынын, бірақ тасқа тигеннен кейін одан итерілетінін анықтады. 1747 жылы Линней бұл құбылысты алғаш рет электрмен байланыстырды (ол турмалинды Lapidem Electricum, "электр тасы" деп атады), бірақ бұл 1756 жылға дейін Франц Ульрих Теодор Эпинуспен дәлелденбеді. Пироэлектрлік құбылысты зерттеу 19 ғасырда одан әрі дамыды. 1824 жылы сэр Дэвид Брюстер осы әсерге қазіргі атын берді. 1878 жылы Уильям Томсон және 1897 жылы Вольдемар Войгт пироэлектрлік процестердің теориясын әзірлеуге үлкен үлес қосты. Пьер Кюри және оның інісі Жак Кюри 1880 жылдары пироэлектрлік құбылысты зерттеді, нәтижесінде пьезоэлектрлік құбылыстың кейбір механизмдерін ашты. Пироэлектрлік әсердің алғашқы жазбасы ретінде бұл қателікпен Теофрастқа (б.з.д. 314 ж.) жатқызылады. Бұл жаңылыс турмалиннің пироэлектрлік қасиеттері ашылғаннан кейін пайда болды, сол кездегі минералогтар оны аңызға толы Лингурий тасымен байланыстырды. Лингурий Теофраст еңбегінде пироэлектрлік қасиеттері көрсетілмей, тек янтарьға ұқсас деп сипатталған.

Қарым-қатынас әсерлері

Пироэлектрмен тығыз байланысты екі құбылыс – ферроэлектрлік және пьезоэлектрлік. Көптеген материалдар макроскопиялық деңгейде электрлік жағынан шамамен бейтарап болады. Дегенмен, материалды құрайтын оң және теріс зарядтар міндетті түрде симметриялық түрде орналаспайды. Егер негізгі ұяшықтың барлық элементтері үшін заряд пен қашықтықтың көбейтіндісінің қосындысы нөлге тең болмаса, онда ұяшықта электрлік диполь моменті болады (векторлық шама). Көлем бірлігіне шаққандағы диполь моменті диэлектрлік поляризация деп аталады. Егер бұл диполь моменті температураның өзгеруіне, сыртқы электр өрісіне немесе қысымға тәуелді өзгерсе, материал тиісінше пироэлектрлік, ферроэлектрлік немесе пьезоэлектрлік болады. Ферроэлектрлік құбылыс сыртқы электр өрісі болмағанда да электрлік поляризацияға ие материалдарда байқалады, және электр өрісінің бағыты өзгертілсе, поляризация да кері қайтарылуы мүмкін. Барлық ферроэлектрлік материалдар спонтандық поляризацияға ие болғандықтан, барлық ферроэлектрлік материалдар пироэлектрлік те болып табылады (бірақ барлық пироэлектрлік материалдар ферроэлектрлік емес). Пьезоэлектрлік құбылыс кристаллдарда (мысалы, кварц немесе керамика) байқалады, оларға қысым қолданғанда материалдың бойымен электр кернеуі пайда болады. Пироэлектрлік құбылысқа ұқсас, бұл құбылыс кристаллдардың асимметриялық құрылысына байланысты, ол иондардың бір ось бойында басқа осьтерге қарағанда оңай қозғалуына мүмкіндік береді. Қысым қолданғанда, кристаллдың әр жағы қарама-қарсы заряд алады, нәтижесінде кристаллдың бойында кернеу түседі. Пироэлектрлік құбылысты термоэлектрлікпен шатастыруға болмайды: пироэлектрлік құбылысты көрсету үшін әдетте бүкіл кристалл бір температурадан екінші температураға ауыстырылады, нәтижесінде кристаллдың бойында уақытша кернеу пайда болады. Ал термоэлектрлік құбылысты көрсету үшін құрылғының бір бөлігі бір температурада, ал екінші бөлігі басқа температурада ұсталады, нәтижесінде температура айырмасы болғанда құрылғыда тұрақты кернеу пайда болады. Екі құбылыс та температураның өзгеруін электрлік потенциалға айналдырады, бірақ пироэлектрлік құбылыс уақыт бойынша температураның өзгеруін электрлік потенциалға айналдырады, ал термоэлектрлік құбылыс орналасу бойынша температураның өзгеруін электрлік потенциалға айналдырады.

Пироэлектрлік материалдар

Жасанды пироэлектрлік материалдар жасалғанмен, бұл әсер алғаш рет турмалин сияқты минералдарда ашылды. Пироэлектрлік әсер сүйек және шеміршекте де кездеседі. Ең маңызды мысал – галлий нитриді, ол жартылай өткізгіш. Бұл материалдағы күшті электр өрістері жарықдиодтарда (LED) зиянды, бірақ қуат транзисторларын жасау үшін пайдалы. Галлий нитриді (GaN), цезий нитраты (CsNO3), поливинил фторидтері, фенилпиридин туындылары және кобальт фталоцианинін қолдану арқылы, әдетте жұқа пленка түрінде, жасанды пироэлектрлік материалдар жасау саласында үлкен жетістіктерге қол жеткізілді. Литий танталаты (LiTaO3) – пиезоэлектрлік және пироэлектрлік қасиеттері бар кристалл, ол кішкентай масштабтағы ядролық синтез ("пироэлектрлік синтез") жасау үшін қолданылған. Соңғы кезде CMOS өндірісінде қолданылатын стандартты материал – допингтелген гафний оксидінің (HfO2) пироэлектрлік және пиезоэлектрлік қасиеттері анықталды.

Жылу сенсорлары

Температураның өте кішкентай өзгерістері пироэлектрлік потенциал тудыруы мүмкін. Пассивті инфрақызыл сенсорлар көбінесе пироэлектрлік материалдар негізінде жасалады, себебі бірнеше метр қашықтықтағы адамның немесе жануардың жылуы кернеуді жасауға жеткілікті.

Ядролық синтез

Пироэлектрлік материалдар ядролық синтез процесінде дейтерий иондарын бағыттау үшін қажетті күшті электр өрістерін жасауға қолданылған. Бұл пироэлектрлік синтез деп белгілі.