Пироэлектричество представляет собой явление возникновения спонтанной электрической поляризации в кристалле при изменении температуры. Этот эффект характерен для определённых кристаллических материалов, обладающих асимметричной кристаллической структурой, не имеющей центра симметрии. В отличие от пьезоэлектричества, где поляризация возникает под действием механических деформаций, пироэлектрический эффект обусловлен тепловыми колебаниями кристаллической решётки, вызывающими изменение дипольных моментов в кристалле.
Пироэлектрические материалы относятся к кристаллам с классами точечной симметрии, допускающими наличие спонтанного дипольного момента. Наиболее часто пироэлектрические свойства наблюдаются у кристаллов тригональной, гексагональной и моноклинной симметрии, например:
Спонтанная поляризация в этих кристаллах направлена вдоль определённой оси симметрии, называемой пироэлектрической осью. При изменении температуры кристалл изменяет длину межатомных связей, что приводит к изменению величины дипольного момента и появлению электрического заряда на поверхности кристалла.
Пироэлектрический эффект описывается уравнением:
[ = _0 + p T]
где () — вектор поляризации, (_0) — спонтанная поляризация при исходной температуре, (p) — пироэлектрический коэффициент, (T) — изменение температуры.
Ключевым фактором является температурная зависимость дипольного момента. При нагревании кристалла увеличиваются амплитуды тепловых колебаний атомов, смещающих положительные и отрицательные заряды относительно центра симметрии ячейки. В результате на поверхности кристалла возникает электрическое поле, направленное вдоль пироэлектрической оси. При охлаждении процесс обратим, и поляризация меняет знак.
Простые неорганические пироэлектрики К ним относятся кристаллы с простой нецентросимметричной структурой, например, турмалин и кварц. Их пироэлектрический коэффициент невелик, но стабильность свойств высокая.
Комплексные кристаллы с высокой пироэлектрической активностью Примеры: LiNbO₃, LiTaO₃. Обладают большим пироэлектрическим коэффициентом и применяются в оптоэлектронике и пирометрии.
Полимерные пироэлектрики Органические материалы, такие как PVDF (поливинилиденфторид), проявляют пироэлектрические свойства при поляризации в электрическом поле. Они гибкие и удобны для сенсорных устройств.
Пироэлектрические свойства сильно зависят от температуры. Вблизи курсовой температуры (точки Кюри), где кристалл теряет спонтанную поляризацию, пироэлектрический коэффициент достигает максимума. Это связано с усилением колебаний атомов и изменением симметрии кристалла. Фазовые переходы из ферроэлектрической в параэлектрическую фазу сопровождаются исчезновением спонтанной поляризации и, соответственно, пироэлектрического эффекта.
Кулоновский метод Измерение возникающего электрического заряда на поверхности кристалла при нагреве или охлаждении.
Периодический нагрев (Chynoweth method) Используется переменное тепловое воздействие и измерение возникающего переменного тока.
Современные электрические сенсоры Включают интегрированные транзисторы и конденсаторы для точного измерения пироэлектрических токов в малых объёмах материала.
Пироэлектрический эффект чувствителен к механическим напряжениям, химической чистоте и дефектам кристаллической решётки. Механические напряжения могут индуцировать дополнительную поляризацию через пьезоэлектрический эффект. Примеси и вакансии изменяют локальные дипольные моменты, влияя на величину пироэлектрического коэффициента и стабильность сигнала.
Пироэлектрические материалы представляют собой уникальную группу кристаллов, где связь термических процессов и электрических свойств используется для создания высокоточных сенсорных и энергетических устройств, обеспечивая широкие возможности в современной технологии твёрдого тела.