Бария титанат, сегнетоэлектрик, по своему техническому применению занимающий одно из ведущих мест. Изучение нелинейных свойств титаната бария (BaTiO3), начатое Б. М. Вулом в 1944 послужило импульсом к развитию теоретических и экспериментальных работ в области сегнетоэлектричества.
В кристаллах титаната бария наблюдаются три фазовых перехода, сопровождающиеся изменением структуры и свойств. Фазовые переходы в титанате бария относятся к переходам типа смещения.
При температурах выше 120оС титанат бария имеет кубическую кристаллическую структуру типа перовскита (см. Структурные типы кристаллов). Эта параэлектрическая модификация относится к пространственной группе Pm3m. В состав элементарной ячейки, имеющей форму куба, входит одна структурная единица типа АВО3. Основу структуры составляют кислородные октаэдры, в центре которых расположены ионы титана. Ионы кислорода расположены по центрам граней кубов, составленных из ионов бария. Ион титана имеет некоторую свободу перемещения в пределах кислородного октаэдра. При температурах выше Тк вследствие интенсивного теплового движения ион титана непрерывно перебрасывается от одного кислородного иона к другому, так что его положение, усредненное во времени, совпадает с центром ячейки. Благодаря центральной симметрии такая ячейка не обладает электрическим моментом.
При температуре около 120оС, являющейся для титаната бария температурой Кюри, в титанате бария происходит фазовый переход, и в интервале температур от температуры Кюри до температуры примерно 5оС BaTiO3 является сегнетоэлектриком, имеющим тетрагональную симметрию класса P4mm. В этом интервале температур (ниже Тк=120оС) энергия теплового движения недостаточна для переброса иона титана из одного равновесного положения в другое, и он локализуется вблизи одного из окружающих его кислородных ионов. В результате кубическая симметрия в расположении заряженных частиц нарушается, и элементарная ячейка приобретает электрический момент. При фазовом переходе ион титана скачком смещается вдоль одной из осей куба, в результате чего возникает тетрагональная структура. Соседние ионы титана смещаются в том же направлении, что и приводит к появлению макроскопической поляризации, т. е. сегнетоэлектричеству. При искажении формы ячейки скачком возникает спонтанная поляризация, величина которой плавно нарастает от Ps =18мкк/см2 при точке Кюри до примерно 26 мкк/см2 при комнатной температуре. Титанат бария имеет несколько равноправных направлений поляризации и является примером многоосного сегнетоэлектрика.
При температурах ниже 5оС по мере того, как ионы Ti смещаются вдоль других осей куба, происходит второй фазовый переход, кристалл становится ромбическим. Вблизи температур -70оС — -90оС титанат бария испытывает третий фазовый переход и ниже этих температур имеет ромбоэдрическую структуру.
Во всех точках фазового перехода происходит скачкообразное изменение параметров и объема ячейки. При всех переходах имеет место также температурный гистерезис, т. е. температура перехода зависит от того, охлаждается или нагревается кристалл.
Спонтанная поляризация в сегнетоэлектрической фазе титаната бария сопровождается электрострикцией, кристалл становится пьезоэлектриком, процесс, происходящий в кристалле, является спонтанным пьезоэлектрическим эффектом.
На кристаллах BaTiO3 в сильных полях наблюдаются четкие петли диэлектрического гистерезиса. На низких частотах коэрцитивное поле Ес составляет 500-2000 в/см. Диэлектрическая проницаемость титаната бария в слабых полях зависит от температуры, при температурах фазовых переходов достигает больших значений. Кристаллы BaTiO3 обладают полупроводниковыми свойствами, имеют ширину запрещенной зоны порядка 3 эВ.
Титанат бария и некоторые другие кислородно-октаэдрические сегнетоэлектрики широко используются в промышленности как пьезоэлектрики, главным образом в виде сегнето- и пьезокерамики.