Materiais Ferroeléctricos: Que son?
Que son os materiais ferroeléctricos?
Os materiais ferroeléctricos son materiais que exhiben ferroelectricidade. A ferroelectricidade é a capacidade do material de ter unha polarización eléctrica espontánea. Esta polarización pode ser invertida mediante a aplicación dun campo eléctrico na dirección oposta (ver figura 1 abaixo). A ferroelectricidade (e, polo tanto, os materiais ferroeléctricos) foi descuberta por Rochelle salt por Valasek en 1921.
A inversión da polaridade dun material ferroeléctrico mediante a aplicación dun campo eléctrico externo chámase "conmutación".
Os materiais ferroeléctricos poden manter a polarización incluso despois de eliminar o campo eléctrico. Os materiais ferroeléctricos teñen algunhas similitudes cos materiais ferromagnéticos, que revelan un momento magnético permanente. O bucle de histerese é case o mesmo para ambos os materiais.
Como existen similitudes, o prefixo é o mesmo para ambos os materiais. Pero non todos os materiais ferroeléctricos deben conter Ferro (hierro).
Todos os materiais ferroeléctricos exhiben un efecto piezoeléctrico. As propiedades opostas destes materiais veñense nos materiais antiferromagnéticos.
Teoría dos materiais ferroeléctricos
A enerxía libre dun material ferroeléctrico baseada na teoría de Ginburg-Landau sen campo eléctrico e calquera estrés aplicado pode escribirse como expansión de Taylor. Escríbese en termos de P (parámetro de orde) como
(se se usa a expansión de sexto orden)
Px → compoñente do vector de polarización, x
Py → compoñente do vector de polarización, y
Pz → compoñente do vector de polarización, z
αi, αij, αijk → coeficientes que deben ser constantes coa simetría do cristal.
α0 > 0, α111> 0 → para todos os ferroeléctricos
α11< 0 → ferroeléctricos coa transición de primeiro orde
α0 > 0 → ferroeléctricos coa transición de segundo orde
Para investigar diferentes fenómenos e formación de dominios nos ferroeléctricos, estas ecuacións úsanse no modelo de campo de fase.
Xeralmente, úsase engadindo algunhas termos, como un termo elástico, un termo de gradiente e un termo electrostático a esta ecuación de enerxía libre.
Usando o método de diferenzas finitas, as ecuacións resólvense suxeitas a restricións de elasticidade linear e lei de Gauss.
A transición de fásica cúbica a tetragonal da polarización espontánea dun ferroeléctrico pode obterse a partir da expresión da enerxía libre.
Tén un carácter de potencial de pozo dual con mínimos de enerxía duplos en P = ± Ps.
Ps → polarización espontánea
Ao simplificar, eliminar a raíz negativa e substituír α11 = 0 obtemos,
Polarización e bucle de histerese
Primeiro, tomamos un material dieléctrico, e dámoslle un campo eléctrico periférico. Podemos ver que a polarización sempre será directamente proporcional ao campo aplicado, representado na figura 2.
A continuación, cando polarizamos un material paraeléctrico, obtemos unha polarización non lineal. No entanto, é unha función do campo, como se mostra na figura 3.
A continuación, tomamos un material ferroeléctrico, e démoslle un campo eléctrico. Obtemos unha polarización non lineal.
Tamén exhibe unha polarización espontánea non nula sen un campo periférico.
Tamén podemos ver que invirtendo a dirección do campo eléctrico aplicado, a dirección da polarización pode invertirse ou cambiarse.
Así, podemos dicir que a polarización dependerá da condición actual e anterior do campo eléctrico. Obtense o bucle de histerese como na figura 4.
Temperatura de Curie
