Ελεκτροποιημένα Υλικά: Τι είναι;

Τι είναι οι Φεροηλεκτρικές Υλικές;

Οι φεροηλεκτρικές υλικές είναι υλικά που επιδεικνύουν φεροηλεκτρικότητα. Η φεροηλεκτρικότητα είναι η δυνατότητα του υλικού να έχει αυθαίρετη ηλεκτρική πολάριση. Αυτή η πολάριση μπορεί να ανατραπεί με την εφαρμογή εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου στην αντίθετη κατεύθυνση (βλέπε σχήμα 1 παρακάτω). Η φεροηλεκτρικότητα (και, επομένως, οι φεροηλεκτρικές υλικές) ανακαλύφθηκε από το αλάτι Rochelle από τον Valasek το 1921.

Η ανατροπή της πολάρισης ενός φεροηλεκτρικού υλικού μέσω της εφαρμογής εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου ονομάζεται «στροφή».

Οι φεροηλεκτρικές υλικές μπορούν να διατηρήσουν την πολάριση ακόμη και μετά την αφαίρεση του ηλεκτρικού πεδίου. Οι φεροηλεκτρικές υλικές έχουν κάποιες ομοιότητες με τα φερομαγνητικά υλικά, τα οποία αποκαλύπτουν μόνιμη μαγνητική στιγμή. Το διαγράμματο ιστορίας είναι σχεδόν το ίδιο για και τα δύο υλικά.

Επειδή υπάρχουν ομοιότητες, το πρόθεμα είναι το ίδιο για και τα δύο υλικά. Ωστόσο, όλα τα φεροηλεκτρικά υλικά δεν χρειάζεται να έχουν Σίδηρο (Ferro).

Όλα τα φεροηλεκτρικά υλικά επιδεικνύουν την πιεζοηλεκτρική ιδιότητα. Τα αντίθετα χαρακτηριστικά αυτών των υλικών παρατηρούνται στα αντιφερομαγνητικά υλικά.

Θεωρία των Φεροηλεκτρικών Υλικών

Η ελεύθερη ενέργεια του φεροηλεκτρικού υλικού βασισμένη στη θεωρία Ginburg-Landau χωρίς ηλεκτρικό πεδίο και οποιαδήποτε εφαρμοσμένη ένταση μπορεί να γραφτεί ως έκταση Taylor. Γράφεται ως προς P (παράμετρος τάξης) ως

(αν χρησιμοποιηθεί η επέκταση έκτης τάξης)
Px → συνιστώσα του διανυσματός πολάρισης, x
Py → συνιστώσα του διανυσματός πολάρισης, y
Pz → συνιστώσα του διανυσματός πολάρισης, z
αi, αij, αijk → σταθερές που πρέπει να είναι σταθερές με την κρυσταλλική συμμετρία.
α0 > 0, α111> 0 → για όλα τα φεροηλεκτρικά
α11< 0 → φεροηλεκτρικά με μετάβαση πρώτης τάξης
α0 > 0 → φεροηλεκτρικά με μετάβαση δεύτερης τάξης

Για την εξέταση διαφόρων φαινομένων και τη δημιουργία πεδίων σε φεροηλεκτρικά, χρησιμοποιούνται αυτές οι εξισώσεις στο μοντέλο φάσης-πεδίου.

Συνήθως, χρησιμοποιείται προσθέτοντας μερικούς όρους, όπως ένας ελαστικός όρος, ένας όρος παραγώγου και ένας ηλεκτροστατικός όρος σε αυτή την εξίσωση ελεύθερης ενέργειας.

Με τη χρήση της μέθοδου πεπερασμένων διαφορών, οι εξισώσεις λύνονται υπό τις περιορισμούς της Γραμμικής Ελαστικότητας και του Νόμου του Gauss.

Η μετάβαση από κυβική σε τετραγωνική φάση της αυθαίρετης πολάρισης ενός φεροηλεκτρικού μπορεί να προκύψει από την έκφραση της ελεύθερης ενέργειας.

Έχει χαρακτήρα διπλής κοίλης δυναμικής με διπλά ενεργειακά ελάχιστα στο P = ± Ps.
Ps → αυθαίρετη πολάριση

Με την απλοποίηση, την εξάλειψη της αρνητικής ρίζας και την αντικατάσταση α11 = 0 παίρνουμε,

Πολάριση και Διάγραμμα Ιστορίας

Αρχικά, παίρνουμε ένα διελεκτρικό υλικό, και δίνεται ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο. Μπορούμε να δούμε ότι η πολάριση θα είναι πάντα ανάλογη με το εφαρμοσμένο πεδίο, όπως εμφανίζεται στο σχήμα 2.

Επόμενο, όταν πολαρίζουμε ένα παραηλεκτρικό υλικό, παίρνουμε μια μη γραμμική πολάριση. Ωστόσο, είναι συν