Ferroelektriske materialer: Hvad er de?

Hvad er ferroelettriske materialer?

Ferroelettriske materialer er materialer, der viser ferroelettricitet. Ferroelettricitet er evnen hos materialet til at have en spontan elektrisk polarisering. Denne polarisering kan vendes ved anvendelse af et eksternt elektrisk felt i den modsatte retning (se figur 1 nedenfor). Ferroelettricitet (og dermed ferroelettriske materialer) blev opdaget af Rochelle salt af Valasek i 1921.

Omvendelsen af polariteten for et ferroelettrisk materiale gennem anvendelse af et eksternt elektrisk felt kaldes "skift".

Ferroelettriske materialer kan vedblive med at bevare polariseringen, selv når det elektriske felt fjernes. Ferroelettriske materialer har nogle ligheder med ferromagnetiske materialer, som viser permanent magnetisk moment. Hystereiseløbet er næsten det samme for begge materialer.

Da der er ligheder, er præfikset det samme for begge materialer. Men alle ferroelettriske materialer behøver ikke at have jern (Ferro).

Alle ferroelettriske materialer viser en piezoelektrisk effekt. De modsatte egenskaber for disse materialer ses i antiferromagnetiske materialer.

Teori om ferroelettriske materialer

Den frie energi for et ferroelettrisk materiale baseret på Ginburg-Landau teorien uden elektrisk felt og enhver anvendt spænding kan skrives som en Taylor-udvikling. Det skrives i termer af P (ordningsparameter) som

(hvis en sjette ordens udvikling bruges)
Px → komponent af polarisationsvektor, x
Py → komponent af polarisationsvektor, y
Pz → komponent af polarisationsvektor, z
αi, αij, αijk → koefficienter skal være konstant med krystal symmetri.
α0 > 0, α111> 0 → for alle ferroelettriske materialer
α11< 0 → ferroelettriske materialer med førsteordens overgang
α0 > 0 → ferroelettriske materialer med andenordens overgang

For at undersøge forskellige fænomener og domæne dannelsen i ferroelettriske materialer, bruges disse ligninger i fasefeltmodellen.

Det bruges normalt ved at tilføje nogle termer som en elastisk term, en gradient term, og en elektrostatiske term til denne frie energiligning.

Ved hjælp af den endelige differensmetode løses ligningerne under hensyn til Lineær elasticitet og Gauss's lov begrænsninger.

En kubisk til tetragonalt faseovergang af spontan polarisation af et ferroelettrisk materiale kan opnås fra udtrykket for fri energi.

Det har en karakter af dobbelt vels potentiale med dobbelt energi minimum ved P = ± Ps.
Ps → spontan polarisation

Ved at forenkle, eliminere den negative rod, og substituere α11 = 0 får vi,

Polarisation og Hystereiseløb

Først tager vi et dieletrisk materiale, og et perifert elektrisk felt gives. Vi kan se, at polariseringen vil altid være direkte proportional med det anvendte felt, repræsenteret i figur 2.

Næste, når vi polariserer et paraelektrisk materiale, får vi en ikke-lineær polarisering. Dog er det en funktion af feltet, som vist i figur 3.

Næste, tager vi et ferroelettrisk materiale, og et elektrisk felt gives til det. Vi får en ikke-lineær polarisering.

Det viser også en ikke-nul spontan polarisation uden et perifert felt.

Vi kan også se, at ved at invertere retningen af det anvendte elektriske felt, kan retningen af polariseringen inverteres eller ændres.

Derfor kan vi sige, at polariseringen vil afhænge af den nuværende og tidligere tilstand af det elektriske felt. Hystereiseløbet opnås som vist i figur 4.

Curie temperatur