Сегнетоэлектрический гистерезис

Сегнетоэлектри́ческий гистере́зис — явление зависимости векторов поляризованности ${\displaystyle P}$ и электрического смещения ${\displaystyle D}$ в диэлектрике не только от напряжённости ${\displaystyle E}$ приложенного внешнего поля, но и от предыстории данного образца. Перечисленные величины связаны как ${\displaystyle D=\varepsilon _{0}E+P}$ (в системе СИ; ${\displaystyle \varepsilon _{0}}$ — электрическая постоянная).

Петля гистерезиса сегнетоэлектрика. По абсциссе — напряжённость электрического поля, по ординате — электрическое смещение в материале, ${\displaystyle D_{r}}$ — остаточная поляризованность, ${\displaystyle E_{C}}$ — коэрцитивная сила. Пунктир слегка наклонён.

Данное явление наблюдается при температурах ниже точки Кюри, при которых сегнетоэлектрические кристаллы обладают самопроизвольной (спонтанной, то есть возникающей в отсутствие внешнего электрического поля) электрической поляризацией ${\displaystyle P_{r}}$. Направление поляризации сегнетоэлектрика, в отличие от случая пироэлектриков, можно изменить прикладывая внешнее поле противоположного направления.

Зависимость ${\displaystyle P}$ и ${\displaystyle D}$ от ${\displaystyle E}$ в полярной фазе (при наличии спонтанной поляризации) неоднозначна, и отложенная по ординате величина при данном ${\displaystyle E}$ будет зависеть от того, каким было электрическое поле в предшествующие моменты времени. При циклической вариации поля формируется петля в переменных ${\displaystyle P(E)}$ и ${\displaystyle D(E)}$. Размах петли по вертикали зависит от размаха по горизонтали, и при широком охвате по ${\displaystyle E}$ для остаточной поляризованности ${\displaystyle P_{r}}$ имеется тенденция к насыщению ${\displaystyle P_{r}\to P_{s}}$. Величины, помеченные ${\displaystyle D_{r}}$, ${\displaystyle D_{s}}$ можно переобозначить как ${\displaystyle P_{r}}$, ${\displaystyle P_{s}}$.

Наклон кривой ${\displaystyle D(E)}$ при высоких ${\displaystyle |E|}$.

Петля после наложения сильного поля называется предельной. Для чистых сегнетоэлектрических монокристаллов в переменных ${\displaystyle P(E)}$ она имеет близкую к прямоугольной форму^[1]; в неплохом приближении (ввиду ${\displaystyle D=\varepsilon _{0}E+P_{s}\approx P_{s}}$) это относится и петле ${\displaystyle D(E)}$, но в этом случае, строго говоря, ${\displaystyle D}$ продолжает расти и зависимость наклонена (см. нижний рис.), чего часто не учитывают.

Помимо ${\displaystyle P_{r}}$ (она же ${\displaystyle D_{r}}$), важным параметром для описания поведения сегнетоэлектрика является значение поля ${\displaystyle E_{C}}$ (коэрцитивное поле) при котором происходит переполяризация.

На практике бывает, что в объёмных поликристаллах макроскопической поляризации не наблюдается в отсутствие механических напряжений и внешних полей, благодаря доменной структуре. Внутри одного домена поляризация имеет одно направление, а в соседнем противоположное, что уменьшает полную энергию материала. Таким образом для создания макроскопической поляризации необходимо предварительно переориентировать домены в объёме, что отражено на обоих рисунках где поляризация (процесс приложения поля к образцу) начинается из начала координат^[2].