Фероелектрични материали: Какви са те?

Какви са фероелектричните материали?

Фероелектричните материали са материали, които проявяват фероелектричност. Фероелектричността е способността на материал да има спонтанна електрическа поляризация. Тази поляризация може да бъде обърната чрез прилагане на външно електрическо поле в противоположна посока (фигура 1 по-долу). Фероелектричността (и следователно фероелектричните материали) бяха открити от Валасек през 1921 г. чрез изследване на рочелова сол.

Обръщането на полярността на фероелектричен материал чрез прилагане на външно електрическо поле се нарича „переключване“.

Фероелектричните материали могат да поддържат поляризацията дори след премахване на електрическото поле. Фероелектричните материали имат някои сходства с феромагнитните материали, които показват постоянен магнитен момент. Хистерезисната петля е почти еднаква за двете вида материали.

Тъй като има сходства, префиксът е един и същ за двете вида материали. Но всички фероелектрични материали не трябва да съдържат желязо (Ferro).

Всички фероелектрични материали проявяват пиезоелектричен ефект. Противоположните свойства на тези материали се наблюдават в антиферомагнитните материали.

Теория на фероелектричните материали

Свободната енергия на фероелектричен материал, основана на теорията на Гинбург-Ландав без електрическо поле и всякакво приложено напрежение, може да бъде записана като разширение на Тейлор. Тя е записана чрез P (параметър на редуване) както следва:

(ако се използва шесто-редово разширение)
Px → компонент на вектора на поляризация, x
Py → компонент на вектора на поляризация, y
Pz → компонент на вектора на поляризация, z
αi, αij, αijk → коефициенти, които трябва да са константи в зависимост от кристалната симетрия.
α0 > 0, α111> 0 → за всички фероелектрични материали
α11< 0 → фероелектрични материали с превключване от първи ред
α0 > 0 → фероелектрични материали с превключване от втори ред

За изследване на различни явления и формиране на домени в фероелектрични материали, тези уравнения се използват в фазовата полева модел.

Обикновено се използва чрез добавяне на някои терми, такива като еластичен терм, градиентен терм и електростатичен терм към това уравнение за свободна енергия.

Чрез използване на метода на крайните разлики, уравненията се решават с оглед на линейна еластичност и ограниченията на законите на Гаус.

Фазовият преход от кубичен до тетрагонален на спонтанната поляризация на фероелектричен материал може да бъде получен от израза за свободна енергия.

Има характер на двойна потенциална яма с двойни минимуми на енергия при P = ± Ps.
Ps → спонтанна поляризация

Чрез опростяване, елиминиране на отрицателния корен и заместване на α11 = 0 получаваме,

Поляризация и хистерезисна петля

Първо, вземаме диелектричен материал, и даваме периферно електрическо поле. Можем да видим, че поляризацията винаги ще бъде директно пропорционална на приложеното поле, представено на фигура 2.

След това, когато поляризираме паракелектричен материал, получаваме нелинейна поляризация. Въпреки това, тя е функция на полето, както е показано на фигура 3.

След това вземаме фероелектричен материал, и даваме електрическо поле към него. Получаваме нелинейна поляризация.

Той също проявява ненулева спонтанна поляризация без периферно поле.

Можем също да видим, че чрез инвертиране на посоката на приложеното електрическо поле, посоката на поляризацията може да бъде инвертирана или променена.

Следователно, можем да кажем, че поляризацията ще зависи от настоящото и предходното състояние на електрическото поле. Хистерезисната петля се получава както е показано на фигура 4.