Сегнетоэла́стики (ферроэластики), кристаллические твёрдые тела, в которых при структурном фазовом переходе из исходной более симметричной (параэластической) в менее симметричную (сегнетоэластическую) фазу возникает спонтанная деформация кристаллической решётки относительно исходной в отсутствие внешних механических напряжений. Такой фазовый переход происходит при понижении температуры $T$ ниже некоторой критической температуры $T_{\text{C}}$. При переходе в сегнетоэластическую фазу в тензоре теплового расширения кристалла либо появляются новые компоненты деформации, либо нарушается равенство между имевшимися компонентами; эти изменения и приводят к спонтанной деформации. Термин «сегнетоэластик» введён японским физиком Айдзу Кэйитиро в 1969 г.

Классификация сегнетоэластиков

Классифицируя сегнетоэластики по структуре, обычно указывают тип минерала (международное название), являющегося структурным родоначальником семейства изоморфных кристаллов. Выделяют следующие семейства сегнетоэластиков: дителлуриты ($\text{SrTe}_{2}\text{O}_{5}$), двойные тригональные молибдаты и вольфраматы [$\text{KFe(MoO}_{4})_{2}$], каломель ($\text{Hg}_{2}\text{Cl}_{2}$), лангбейниты ($\text{K}_{2}\text{Cd}_{2}\text{SO}_{4}$), перовскиты ($\text{KMnF}_{3}$), пальмиериты [$\text{Pb}_{3}\text{(PO}_{4})_{2}$], редкоземельные пентафосфаты ($\text{LaP}_{5}\text{O}_{14}$), семейство $\text{K}_{4}\text{Zn(MoO}_{4})_{3}$, сегнетоэластики с водородными связями $\text{H}_{3}\text{BO}_{3}$, $\text{KH}_{3}\text{(SeO}_{3})_{2}$, тридимиты ($\text{CsLiSO}_{4}$), тейлориты ($\text{K}_{2}\text{CrO}_{4}$), фресноиты ($\text{Ba}_{2}\text{TiGe}_{2}\text{O}_{8}$), фергюсониты ($\text{BiVO}_{4}$) и эльпасолиты ($\text{CsNaNdCl}_{6}$).

Сегнетоэластики относятся к классу ферроиков и являются механическими аналогами сегнетоэлектриков и ферромагнетиков.

Различают чистые сегнетоэластики – кристаллы, обладающие только сегнетоэластическими свойствами, но не являющиеся сегнетоэлектриками или ферромагнетиками, и смешанные (комбинированные) сегнетоэластики – кристаллы, которые одновременно являются и сегнетоэластиками, и сегнетоэлектриками (или ферромагнетиками). К первым относятся кристаллы ортофосфата свинца$\text{[Рb}_{3}\text{(РO}_{4})_{2}]$, тригидроселенита калия $\text{[KH}_{3}\text{(SeO}_{3})_{2}]$; ко вторым – кристаллы молибдата гадолиния $\text{[Gd}_{2}\text{(MoO}_{4})_{3}]$, титаната бария ($\text{BaTiO}_{3}$), тригидроселенита натрия $\text{[NaH}_{3}\text{(SeO}_{3})_{2}]$.

Как и другие ферроики, сегнетоэластики могут быть одноосными (спонтанная деформация возникает вдоль одной кристаллографической оси кристалла) $\text{[Gd}_{2}\text{(MoO}_{4})_{3}$, $\text{KH}_{3}\text{(SeO}_{3})_{2}]$ и многоосными (равновероятно вдоль нескольких осей) $\text{[Рb}_{3}\text{(РO}_{4})_{2}]$. Кроме того, сегнетоэластики делятся на собственные и несобственные. Если возникающая в сегнетоэластике макроскопическая спонтанная деформация $x_{\text{с}}$ преобразуется операциями симметрии так же, как и истинный, микроскопический параметр порядка (имеет с ним одинаковые трансформационные свойства), то $x_{\text{с}}$ может также рассматриваться как параметр порядка, и такой фазовый переход будет собственным относительно $x_{\text{с}}$; сегнетоэластики с такими фазовыми переходами называют собственными. При собственном сегнетоэластическом фазовом переходе изменяется только точечная симметрия кристалла, но не меняется трансляционная. Пример чистого собственного сегнетоэластика – кристалл $\text{KH}_{3}\text{(SeO}_{3})_{2}$. Если же при переходе в сегнетоэластическую фазу происходит умножение (кратное увеличение объёма) элементарной ячейки кристалла, то никакая макроскопическая величина не может играть роль параметра порядка, и такой фазовый переход называют несобственным. Cегнетоэластики, испытывающие подобные фазовые переходы, называются несобственными. При несобственном сегнетоэластическом фазовом переходе изменяется также и трансляционная симметрия. К числу несобственных сегнетоэластиков относятся кристаллы $\text{Pb}_{3}\text{(PO}_{4})_{2}$, $\text{Gd}_{2}\text{(MoO}_{4})_{3}$, $\text{BaTiO}_{3}$, $\text{NaH}_{3}\text{(SeO}_{3})_{2}$.

Физические свойства сегнетоэластиков

В низкосимметричной фазе сегнетоэластический кристалл разбивается на трансформационные двойники (сегнетоэластические домены), кристаллические решётки которых находятся в определённом ориентационном соответствии с кристаллической решёткой параэластической фазы. В прозрачных сегнетоэластических кристаллах доменную структуру можно наблюдать с помощью оптического поляризационного микроскопа благодаря разориентации оптических индикатрис соседних доменов или различному двойному лучепреломлению доменов (рис. 1). Оптическая наблюдаемость доменов в поляризованном свете является простейшим достаточным критерием сегнетоэластика.

Рис. 1. Изображение доменной структуры сегнетоэластика в поляризованном свете.Рис. 1. Изображение доменной структуры сегнетоэластика в поляризованном свете.Под действием механического напряжения $\sigma$, сопряжённого с параметром порядка, домены могут переключаться из одного ориентационного состояния в другое; при этом направление спонтанной деформации может быть изменено на обратное или реориентировано на некоторый угол, определяемый симметрией кристаллической решётки. При циклическом изменении $\sigma$ зависимость деформации сегнетоэластика от напряжения в сегнетоэластической фазе имеет вид петли упругого гистерезиса (рис. 2). По петле гистерезиса можно определить величину спонтанной деформации $x_{\text{s}}$ и коэрцитивное напряжение $\sigma_{\text{с}}$, при котором происходит переключение кристалла (изменение знака $x_{\text{с}}$ на противоположный). При приближении к $T_{\text{C}}$ величины $x_{\text{s}}$ и $\sigma_{\text{с}}$ уменьшаются до нуля, а при $T > T_{\text{C}}$ зависимость $x$ от $\sigma$ становится линейной. Для сегнетоэластиков характерны большие величины относительной деформации $x_{\text{s}} = 10^{–3}\text{--}10^{–1}$; значения $\sigma_{\text{c}}$ лежат в пределах от $10^5$ Па (для эластомягких кристаллов с узкой петлёй гистерезиса) до $10^8$ Па (для эластожёстких кристаллов, характеризующихся широкой петлёй гистерезиса). При $T < T_{\text{C}}$ не только деформация $x$, но и упругая податливость $s$ сегнетоэластика нелинейно зависят от внешнего напряжения $\sigma$ (рис. 3). Зависимость $s(\sigma)$ проходит через явно выраженные максимумы при $\sigma = \sigma_{\text{с}}$ и имеет вид, называемый «butterfly», или «бабочка».

Рис. 2. Зависимость деформации сегнетоэластика от напряжения в сегнетоэластической фазе.Рис. 2. Зависимость деформации сегнетоэластика от напряжения в сегнетоэластической фазе.Для описания свойств сегнетоэластиков в окрестности фазовых переходов обычно используется феноменологическая теория фазовых переходов Ландау. Термодинамический потенциал $\Phi$ записывают в виде многочлена, содержащего члены с чётными степенями параметра порядка $\eta$, являющегося внутренней микроскопической переменной, характеризующей изменение пространственной симметрии кристалла (точечной и трансляционной) при фазовом переходе. Для собственного одноосного сегнетоэластика

$\displaystyle{\Phi(\eta, T, \sigma) = \Phi_0(T) + \alpha(T - T_{\text{C}})\eta^2 + \frac{1}{2}\beta\eta^4 - b\eta\sigma - \frac{1}{2} s_0 \sigma^2,}$где $\Phi_0$ – не зависящий от $\eta$ термодинамический потенциал в исходной параэластической фазе; $\alpha$, $\beta$ – постоянные коэффициенты; $s_0$ – упругая податливость кристалла, не связанная с фазовым переходом и спонтанной деформацией. В общем случае потенциал $\Phi$ содержит также члены, учитывающие влияние внешнего механического напряжения $\sigma$ и характеризующие связь $\eta$ и спонтанной деформации. Характер связи $x = b\eta$, где $b$ – некоторая постоянная, зависит от изменения симметрии – не только точечной, но и трансляционной.

Для несобственного одноосного сегнетоэластика с двухкомпонентным параметром фазового перехода

$\displaystyle{\Phi(T, \sigma, \eta_1 \eta_2 ) = \Phi_0(T) + \alpha(T - T_{\text{C}})(\eta_1^2 + \eta_2^2) + \beta_1(\eta_1^2 + \eta_2^2)^2 + \beta_2 \eta_1^2 \eta_2^2 - a\eta_1 \eta_2 \sigma - \frac{1}{2} s\sigma^2,}$Рис. 3. Зависимости упругих свойств сегнетоэластиков от напряжения.Рис. 3. Зависимости упругих свойств сегнетоэластиков от напряжения.где $\eta_1$, $\eta_2$ – компоненты параметра порядка; $a$, $\alpha$, $\beta_1$, $\beta_2$ – постоянные коэффициенты.

Равновесные свойства сегнетоэластика получают путём определения равновесных значений $x_{\text{s}}$, $s$ и теплоёмкости $C_p$ из условий минимума термодинамического потенциала $\Phi$ по отношению к этим величинам. В результате получают температурные зависимости указанных параметров. Вид этих зависимостей различен для собственных и несобственных сегнетоэластиков (рис. 4). В собственных сегнетоэластиках при $T < T_{\text{C}}$ спонтанная деформация изменяется с $T$ по закону $\displaystyle{x_\text{s} \sim \eta = \pm\left[-\frac{\alpha(T - T_{\text{C}})}{\beta}\right]^{1/2},}$а в несобственных сегнетоэластиках $\displaystyle{x_{\text{s}} \sim a \eta_1 \eta_2 = -\frac{a\alpha(T - T_{\text{C}})}{4\beta_1 + \beta_2}.}$Рис. 4. Температурные зависимости свойств сегнетоэластиков.Рис. 4. Температурные зависимости свойств сегнетоэластиков.Соответствующая компонента упругой податливости в собственных сегнетоэластиках выше и ниже $T_{\text{C}}$ следует упругому закону Кюри – Вейса: $s = C/(T – T_{\text{C}})$, где $C$ – постоянная, а при $T = T_{\text{C}}$ наблюдается максимум $s$. В несобственных сегнетоэластиках при $T_{\text{C}}$ происходит скачок $s$. Теплоёмкость $C_p$ в обоих случаях в $T_{\text{C}}$ изменяется скачком.

Применение сегнетоэластиков

Чистые сегнетоэластики – перспективные материалы для акустоэлектроники и акустооптики. Смешанные сегнетоэластики-сегнетоэлектрики могут использоваться для создания на их основе полифункциональных устройств различного назначения: параметрических усилителей, фазовращателей, частотных фильтров, модуляторов лазерного излучения, тепловизоров, электрооптических устройств, актюаторов и др.