Ferroelektrické materiály: Co jsou to?

Co jsou ferroelektrické materiály?

Ferroelektrické materiály jsou materiály, které vykazují ferroelektrické vlastnosti. Ferroelektrickost je schopnost materiálu mít spontánní elektrickou polarizaci. Tato polarizace může být obrácena aplikací externího elektrického pole opačným směrem (viz obrázek 1 níže). Ferroelektrickost (a tedy i ferroelektrické materiály) byla objevena Valasekem v roce 1921 pomocí sraňové soli Rochelle.

Obrácení polarizace ferroelektrického materiálu pomocí externího elektrického pole se nazývá „přepínání“.

Ferroelektrické materiály mohou udržet polarizaci i poté, co je elektrické pole odstraněno. Ferroelektrické materiály mají některé podobnosti s feromagnetickými materiály, které ukazují trvalý magnetický moment. Hysterezní smyčka je pro oba materiály téměř stejná.

Protože existují podobnosti, předpona je pro oba materiály stejná. Ale všechny ferroelektrické materiály nemusí obsahovat železo (ferro).

Všechny ferroelektrické materiály vykazují piezoelektrický efekt. Opačné vlastnosti těchto materiálů lze vidět u antiferomagnetických materiálů.

Teorie ferroelektrických materiálů

Volná energie ferroelektrického materiálu založená na teorii Ginzburga-Landau bez elektrického pole a jakéhokoli aplikovaného namáhání lze zapsat jako Taylorův rozvoj. Je zapsána v termínech P (parametr pořadí) jako

(pokud se použije šestá mocnina)
Px → komponenta vektoru polarizace, x
Py → komponenta vektoru polarizace, y
Pz → komponenta vektoru polarizace, z
αi, αij, αijk → koeficienty by měly být konstantní s krystalovou symetrií.
α0 > 0, α111> 0 → pro všechny ferroelektrické materiály
α11< 0 → ferroelektrické materiály s prvním řádem přechodu
α0 > 0 → ferroelektrické materiály s druhým řádem přechodu

Pro zkoumání různých jevů a formování domén v ferroelektrických materiálech se tyto rovnice používají v fázovém modelu.

Obvykle se používají přidáním některých členů, jako je elastický člen, gradientní člen a elektrostatický člen k této rovnici volné energie.

Pomocí metody konečných diferencí jsou rovnice řešeny za podmínek lineární pružnosti a Gaussova zákona.

Kubický do tetragonální fázový přechod spontánní polarizace ferroelektrika lze získat ze vztahu pro volnou energii.

Má charakter dvojitého potenciálu s dvojitým minimem energie v P = ± Ps.
Ps → spontánní polarizace

Zjednodušením, eliminací negativního kořene a substitucí α11 = 0 dostáváme,

Polarizace a hysterezní smyčka

Nejprve vezmeme dielektrický materiál, a přidáme k němu periferní elektrické pole. Můžeme vidět, že polarizace bude vždy přímo úměrná aplikovanému poli, jak je znázorněno na obrázku 2.

Dále, když polarizujeme paraelektrický materiál, dostaneme nelineární polarizaci. Nicméně, je to funkce pole, jak je znázorněno na obrázku 3.

Následně vezmeme ferroelektrický materiál, a přidáme k němu elektrické pole. Dostaneme nelineární polarizaci.

Tento materiál také ukazuje nenulovou spontánní polarizaci bez periferního pole.

Můžeme také vidět, že otočením směru aplikovaného elektrického pole lze otočit nebo změnit směr polarizace.

Takže můžeme říci, že polarizace bude záviset na současném a předchozím stavu elektrického pole. Hysterezní smyčka je získána, jak je znázorněno na obrázku 4.