Ferroelektriset materiaalit: Mitä ne ovat?

Mitä ovat ferroelektriset materiaalit?

Ferroelektriset materiaalit ovat materiaaleja, jotka näyttävät ferroelektrisyyttä. Ferroelektrisyys on materiaalin kyky olla spontaani sähköinen polarisaatio. Tämä polarisaatio voidaan kääntää ulkoisen sähkökentän soveltamisella päinvastaiseen suuntaan (kuvio 1 alla). Ferroelektrisyys (ja siten ferroelektriset materiaalit) löydettiin Valasekin tutkimuksissa Rochelle-salista vuonna 1921.

Ferroelektrisen materiaalin polariteetin kääntäminen ulkoisen sähkökentän avulla kutsutaan "kääntymiseksi".

Ferroelektriset materiaalit voivat ylläpitää polarisaatiota jopa, kun sähkökenttä poistetaan. Ferroelektriset materiaalit ovat joissakin aspekteissa samankaltaisia kuin ferromagneettiset materiaalit, jotka näyttävät pysyvän magneettisen momentin. Hystereesiskehä on lähes sama molemmille materiaaleille.

Koska on samankalteisuutta, etuliite on sama molemmille materiaaleille. Mutta kaikki ferroelektriset materiaalit eivät tarvitse sisältää Ferro (rautaa).

Kaikki ferroelektriset materiaalit näyttävät piezoelektrisen vaikutuksen. Nämä materiaalien vastakappaleet näkyvät antiferromagneettisissa materiaaleissa.

Ferroelektristen materiaalien teoria

Ferroelektrisen materiaalin vapaa energia Ginburg-Landin teorian mukaan ilman sähkökenttää ja mitään sovellettua stressiä voidaan kirjoittaa Taylorin laajennuksena. Se kirjoitetaan P:n (järjestysparametri) avulla seuraavasti

(jos käytetään kuudenteen asteen laajennusta)
Px → polarisaatiovektorin x-komponentti
Py → polarisaatiovektorin y-komponentti
Pz → polarisaatiovektorin z-komponentti
αi, αij, αijk → kertoimet pitävät vakiona kristallin symmetrian.
α0 > 0, α111> 0 → kaikille ferroelektriileille
α11< 0 → ferroelektrit ensimmäisen asteen muutosella
α0 > 0 → ferroelektrit toisen asteen muutosella

Erilaisten ilmiöiden ja alueiden tutkimiseksi ferroelektriissä käytetään näitä yhtälöitä vaiheenkenttämallissa.

Yleensä tähän vapauden energia yhtälöön lisätään joitakin termejä, kuten elastinen termi, gradienttitermi ja elektrostaattinen termi.

Yhtälöt ratkaistaan lineaarisen joustavuuden ja Gaussin lain rajoitteiden mukaisesti äärellisten erojen menetelmällä.

Ferroelektrin sponta