Введение

Пыроэлектричество (от греческого: pyr (πυρ), "огонь" и электричество) — свойство определенных кристаллов, которые естественным образом электрически поляризованы и, как следствие, содержат сильные электрические поля. Пыроэлектричество можно определить как способность некоторых материалов генерировать временное напряжение при нагревании или охлаждении.

Пояснение

Пироэлектрический заряд в минералах развивается на противоположных гранях асимметричных кристаллов. Направление, в котором стремится распространяться заряд, обычно постоянно для пироэлектрического материала, но в некоторых материалах это направление может быть изменено близлежащим электрическим полем. Материалы, обладающие таким свойством, называют ферроэлектриками. Все известные пироэлектрические материалы также являются пьезоэлектрическими. Несмотря на пироэлектрические свойства, новые материалы, такие как нитрид бора-алюминия (BAlN) и нитрид бора-галлия (BGaN), демонстрируют нулевую пьезоэлектрическую реакцию на деформацию вдоль оси c при определенных составах, при этом оба свойства тесно связаны. Однако следует отметить, что некоторые пьезоэлектрические материалы имеют кристаллическую симметрию, не допускающую пироэлектричества. Пироэлектрические материалы обычно твердые и кристаллические, однако мягкую пироэлектричность можно получить, используя электроты. Пироэлектричество измеряется как изменение чистой поляризации (вектора), пропорциональное изменению температуры. Общий пироэлектрический коэффициент, измеренный при постоянном напряжении, является суммой пироэлектрических коэффициентов при постоянной деформации (первичный пироэлектрический эффект) и пьезоэлектрического вклада от теплового расширения (вторичный пироэлектрический эффект). В обычных условиях даже полярные материалы не проявляют чистого дипольного момента. Следовательно, не существует электрических дипольных эквивалентов постоянных магнитов, поскольку внутренний дипольный момент нейтрализуется "свободным" электрическим зарядом, накапливающимся на поверхности за счет внутренней проводимости или из окружающей атмосферы. Полярные кристаллы проявляют свою природу только при воздействии, которое временно нарушает равновесие с компенсирующим поверхностным зарядом. Спонтанная поляризация зависит от температуры, поэтому изменение температуры является хорошим зондом для возмущения, вызывающим поток заряда к поверхностям и от них. Это и есть пироэлектрический эффект. Все полярные кристаллы являются пироэлектрическими, поэтому 10 полярных классов кристаллов иногда называют пироэлектрическими классами. Пироэлектрические материалы могут использоваться в качестве детекторов инфракрасного и миллиметрового излучения. Электрет – это электрический эквивалент постоянного магнита.

История

Первое упоминание о пироэлектрическом эффекте было сделано в 1707 году Иоганном Георгом Шмидтом, который отметил, что "[нагретый] турмалин мог притягивать пепел из тлеющих или горящих углей, подобно тому, как магнит притягивает железо, но также отталкивать его снова [после контакта]". В 1717 году Луи Лемери заметил, как и Шмидт, что небольшие кусочки непроводящего материала сначала притягивались турмалином, но затем отталкивались им при контакте с камнем. В 1747 году Линней впервые связал это явление с электричеством (он назвал турмалин Lapidem Electricum, "электрическим камнем"), хотя это было доказано лишь в 1756 году Францем Ульрихом Теодором Эпином. Исследования пироэлектричества стали более углубленными в 19 веке. В 1824 году сэр Дэвид Брюстер дал этому эффекту название, которое используется и сегодня. Уильям Томсон в 1878 году и Вольдемар Войт в 1897 году способствовали разработке теории, объясняющей процессы, лежащие в основе пироэлектричества. Пьер Кюри и его брат Жак Кюри изучали пироэлектричество в 1880-х годах, что привело к их открытию некоторых механизмов, лежащих в основе пьезоэлектричества. Неверно приписывают Теофрасту (ок. 314 г. до н.э.) первое описание пироэлектричества. Это заблуждение возникло вскоре после открытия пироэлектрических свойств турмалина, что побудило минералогов того времени связать его с легендарным камнем Лингурием. Лингурий описан в трудах Теофраста как похожий на янтарь, без каких-либо упоминаний о пироэлектрических свойствах.

Связанные эффекты

Два эффекта, тесно связанные с пироэлектричеством, – это ферроэлектричество и пьезоэлектричество. Обычно материалы на макроскопическом уровне почти электрически нейтральны. Однако положительные и отрицательные заряды, составляющие материал, не обязательно распределены симметрично. Если сумма произведений заряда на расстояние для всех элементов элементарной ячейки не равна нулю, ячейка будет иметь электрический дипольный момент (векторная величина). Дипольный момент на единицу объема определяется как диэлектрическая поляризация. Если этот дипольный момент изменяется под воздействием изменения температуры, приложенного электрического поля или давления, материал является соответственно пироэлектрическим, ферроэлектрическим или пьезоэлектрическим. Ферроэлектрический эффект проявляется в материалах, обладающих электрической поляризацией в отсутствие внешнего электрического поля, причем эта поляризация может быть обращена при обращении направления электрического поля. Поскольку все ферроэлектрические материалы демонстрируют спонтанную поляризацию, все ферроэлектрические материалы также являются пироэлектрическими (но не все пироэлектрические материалы являются ферроэлектрическими). Пьезоэлектрический эффект проявляется в кристаллах (таких как кварц или керамика), в которых при приложении давления возникает электрическое напряжение на всем материале. Подобно пироэлектрическому эффекту, это явление обусловлено асимметричной структурой кристаллов, которая позволяет ионам легче перемещаться вдоль одной оси, чем вдоль других. При приложении давления каждая сторона кристалла приобретает противоположный заряд, что приводит к падению напряжения на кристалле. Пироэлектричество не следует путать с термоэлектричеством: в типичной демонстрации пироэлектричества весь кристалл изменяет свою температуру, и в результате возникает временное напряжение на кристалле. В типичной демонстрации термоэлектричества одна часть устройства поддерживается при одной температуре, а другая – при другой, и в результате на устройстве возникает постоянное напряжение, пока существует разница температур. Оба эффекта преобразуют изменение температуры в электрический потенциал, но пироэлектрический эффект преобразует изменение температуры во времени в электрический потенциал, а термоэлектрический эффект преобразует изменение температуры в пространстве в электрический потенциал.

Пироэлектрические материалы

Хотя искусственные пироэлектрические материалы были созданы, эффект был впервые обнаружен в минералах, таких как турмалин. Пироэлектрический эффект также проявляется в костях и сухожилиях. Наиболее важным примером является нитрид галлия – полупроводник. Большие электрические поля в этом материале неблагоприятны для светодиодов (LED), но полезны при производстве силовых транзисторов. Достигнут прогресс в создании искусственных пироэлектрических материалов, как правило, в форме тонких пленок, с использованием нитрида галлия (GaN), нитрата цезия (CsNO3), поливинилидов фтора, производных фенилпиридина и фталоцианина кобальта. Танталат лития (LiTaO3) – это кристалл, демонстрирующий как пьезоэлектрические, так и пироэлектрические свойства, который был использован для создания ядерного синтеза малого масштаба ("пироэлектрический синтез"). Недавно пироэлектрические и пьезоэлектрические свойства были обнаружены в легированном оксиде гафния (HfO2), являющемся стандартным материалом в производстве CMOS.

Тепловые датчики

Очень небольшие изменения температуры могут создавать пироэлектрический потенциал. Пассивные инфракрасные датчики часто разрабатываются на основе пироэлектрических материалов, поскольку тепла, излучаемого человеком или животным с расстояния в несколько футов, достаточно для генерации напряжения.

Ядерный синтез

Пироэлектрические материалы использовались для создания сильных электрических полей, необходимых для управления ионами дейтерия в процессе ядерного синтеза. Это явление известно как пироэлектрический синтез.