Mga Materyales na Ferroelectric: Ano Ito?
Ano ang Mga Materyales na Ferroelectric?
Ang mga materyales na ferroelectric ay mga materyales na nagpapakita ng ferroelectricity. Ang ferroelectricity ay ang kakayahan ng materyal na magkaroon ng spontaneong elektrikong polarisasyon. Ito ay maaaring baligtarin sa pamamagitan ng pag-apply ng panlabas na elektrikong field sa kabaligtarang direksyon (tunog 1 sa ibaba). Ang ferroelectricity (at kaya ang mga materyales na ferroelectric) ay natuklasan ni Valasek sa Rochelle salt noong 1921.
Ang pagbaliktad ng polarity ng isang materyal na ferroelectric sa pamamagitan ng pag-apply ng panlabas na elektrikong field ay tinatawag na “switching”.
Maaaring i-maintain ng mga materyales na ferroelectric ang polarisasyon kahit na ang elektrikong field ay alisin. May ilang pagkakatulad ang mga materyales na ferroelectric sa mga materyales na ferromagnetic, na nagpapakita ng permanenteng magnetic moment. Ang hysteresis loop ay halos pareho para sa parehong materyal.
Dahil may mga pagkakatulad, ang prefix ay pareho para sa parehong materyal. Ngunit hindi lahat ng materyales na ferroelectric ay dapat may Ferro (iron).
Lahat ng mga materyales na ferroelectric ay nagpapakita ng piezoelectric effect. Ang mga katunggaling katangian ng mga materyal na ito ay makikita sa mga materyales na antiferromagnetic.
Teorya ng Mga Materyales na Ferroelectric
Ang free energy ng materyal na ferroelectric batay sa teorya ng Ginburg-Landau nang walang elektrikong field at anumang applied stress ay maaaring isulat bilang Taylor expansion. Isinulat ito sa termino ng P (order parameter) bilang
(kung ginagamit ang sixth-order expansion)
Px → komponente ng polarization vector, x
Py → komponente ng polarization vector, y
Pz → komponente ng polarization vector, z
αi, αij, αijk → coefficients na dapat constant sa crystal symmetry.
α0 > 0, α111> 0 → para sa lahat ng ferroelectrics
α11< 0 → ferroelectrics na may first-order transition
α0 > 0 → ferroelectrics na may second-order transition
Para sa pagsisiyasat ng iba't ibang mga phenomena at domain formation sa ferroelectrics, ang mga equation na ito ay ginagamit sa phase-field model.
Kadalasang ginagamit ito sa pamamagitan ng pagdaragdag ng ilang mga termino tulad ng elastic term, gradient term, at electrostatic term sa free energy equation na ito.
Gamit ang finite difference method, ang mga equation ay nasolusyunan batay sa Linear elasticity at Gauss’s law constraints.
Ang cubic to tetragonal phase transition ng spontaneous polarization ng isang ferroelectric ay maaaring makuhang mula sa expression para sa free energy.
May character itong dual well potential na may double energy minima sa P = ± Ps.
Ps → spontaneous polarization
Sa pamamagitan ng simplipikasyon, pag-alis ng negative root, at substitute α11 = 0, nakukuha natin,
Polarization at Hysteresis Loop
Una, kinukuha natin ang dielectric material, at binigyan natin ito ng panlabas na elektrikong field. Makikita natin na ang polarization ay laging direktang proporsiyonal sa applied field, na ipinapakita sa figure 2.
Pagkatapos, kapag pinolarize natin ang isang materyal na paraelectric, nakukuha natin ang nonlinear polarization. Subalit, ito ay isang function ng field, tulad ng ipinapakita sa figure 3.
Pagkatapos, kinukuha natin ang isang materyal na ferroelectric, at binigyan natin ito ng elektrikong field. Nakukuha natin ang nonlinear polarization.
Ito rin ay nagpapakita ng nonzero spontaneous polarization nang walang peripheral field.
Makikita din natin na sa pamamagitan ng pagbaliktad ng direksyon ng applied electrical field, maaaring baligtarin o baguhin ang direksyon ng polarization.
Kaya, maaari nating sabihin na ang polarization ay depende sa kasalukuyan at dating kondisyon ng elektrikong field. Ang hysteresis loop ay nakuha tulad ng ipinapakita sa figure 4.
