Materiales ferroeléctricos: ¿Qué son?
¿Qué son los materiales ferroeléctricos?
Los materiales ferroeléctricos son materiales que exhiben ferroelectricidad. La ferroelectricidad es la capacidad del material de tener una polarización eléctrica espontánea. Esta polarización puede revertirse mediante la aplicación de un campo eléctrico en la dirección opuesta (ver figura 1 a continuación). La ferroelectricidad (y, por lo tanto, los materiales ferroeléctricos) fue descubierta en 1921 por Valasek en el sal de Rochelle.
La inversión de la polaridad de un material ferroeléctrico mediante la aplicación de un campo eléctrico externo se llama "conmutación".
Los materiales ferroeléctricos pueden mantener la polarización incluso después de que se elimine el campo eléctrico. Los materiales ferroeléctricos tienen algunas similitudes con los materiales ferromagnéticos, que revelan un momento magnético permanente. El bucle de histeresis es casi el mismo para ambos materiales.
Dado que existen similitudes, el prefijo es el mismo para ambos materiales. Pero no todos los materiales ferroeléctricos deben contener hierro (Ferro).
Todos los materiales ferroeléctricos exhiben un efecto piezoeléctrico. Las propiedades opuestas de estos materiales se observan en los materiales antiferromagnéticos.
Teoría de los Materiales Ferroeléctricos
La energía libre de un material ferroeléctrico basada en la teoría de Ginzburg-Landau sin campo eléctrico y cualquier estrés aplicado se puede escribir como una expansión de Taylor. Se escribe en términos de P (parámetro de orden) como
(si se usa la expansión de sexto orden)
Px → componente del vector de polarización, x
Py → componente del vector de polarización, y
Pz → componente del vector de polarización, z
αi, αij, αijk → coeficientes que deben ser constantes con la simetría del cristal.
α0 > 0, α111> 0 → para todos los ferroeléctricos
α11< 0 → ferroeléctricos con transición de primer orden
α0 > 0 → ferroeléctricos con transición de segundo orden
Para investigar diferentes fenómenos y formación de dominios en ferroeléctricos, estas ecuaciones se utilizan en el modelo de campo de fase.
Por lo general, se utiliza añadiendo algunos términos como un término elástico, un término de gradiente y un término electrostático a esta ecuación de energía libre.
Usando el método de diferencias finitas, las ecuaciones se resuelven sujeto a las restricciones de elasticidad lineal y la ley de Gauss.
Una transición de fase cúbica a tetragonal de la polarización espontánea de un ferroeléctrico se puede obtener de la expresión de la energía libre.
Tiene un carácter de potencial de doble pozo con mínimos de energía dobles en P = ± Ps.
Ps → polarización espontánea
Simplificando, eliminando la raíz negativa y sustituyendo α11 = 0 obtenemos,
Polarización y Bucle de Histeresis
Primero, tomamos un material dieléctrico, y se le aplica un campo eléctrico periférico. Podemos ver que la polarización siempre será directamente proporcional al campo aplicado, como se muestra en la figura 2.
A continuación, cuando polarizamos un material paraeléctrico, obtenemos una polarización no lineal. Sin embargo, es una función del campo, como se muestra en la figura 3.
A continuación, tomamos un material ferroeléctrico, y se le aplica un campo eléctrico. Obtenemos una polarización no lineal.
También exhibe una polarización espontánea no nula sin un campo periférico.
También podemos ver que invirtiendo la dirección del campo eléctrico aplicado, la dirección de la polarización puede invertirse o cambiarse.
Así, podemos decir que la polarización dependerá de la condición presente y anterior del campo eléctrico. El bucle de histeresis se obtiene como en la figura 4.
Temperatura de Curie
