Ferroelektromos anyagok: Milyenek?
Mi a ferroelektrikus anyagok?
A ferroelektrikus anyagok olyan anyagok, amelyek ferroelektrikusságot mutatnak. A ferroelektrikusság az anyag képessége spontán elektrikus polarizációra. Ez a polarizáció megfordítható egy külső elektromos mező alkalmazásával ellentétes irányba (lásd alább a 1. ábrát). A ferroelektrikusság (és így a ferroelektrikus anyagok) felfedezése Rochelle sóban történt 1921-ben Valasek által.
Egy ferroelektrikus anyag polaritásának megfordítása egy külső elektromos mező alkalmazásával "kapcsolódásként" ismert.
A ferroelektrikus anyagok fenntarthatják a polarizációt még akkor is, ha az elektromos mező eltávolításra kerül. A ferroelektrikus anyagok néhány hasonlósággal rendelkeznek a ferromágneses anyagokkal, amelyek örökkévaló mágneses momentumot mutatnak. A hysteresis loop szinte megegyezik mindkét anyag esetében.
Mivel léteznek hasonlóságok, a előtag ugyanaz mindkét anyag esetében. De nem minden ferroelektrikus anyagnak kell tartalmaznia vasot (Ferro).
Minden ferroelektrikus anyag piezoelektromos hatást mutat. Az ellenkező tulajdonságokat az antiferromágneses anyagok jelenítik meg.
Ferroelektrikus anyagok elmélete
A ferroelektrikus anyag szabad energiája a Ginburg-Landau elmélet alapján, anélkül, hogy elektromos mezőt és bármilyen kívánt nyomást alkalmaznánk, Taylor-sorba fejthető. P (rendparaméter) segítségével írható fel:
(ha hatodfokú kiterjesztést használunk)
Px → polarizációs vektor x komponense
Py → polarizációs vektor y komponense
Pz → polarizációs vektor z komponense
αi, αij, αijk → együtthatók, amelyek konstansok a kristályszimmetriával.
α0 > 0, α111> 0 → minden ferroelektrikus anyag esetén
α11< 0 → elsőrendű átmenettel rendelkező ferroelektrikus anyagok
α0 > 0 → másodrendű átmenettel rendelkező ferroelektrikus anyagok
Különböző jelenségek vizsgálata és domainképzés a ferroelektrikus anyagokban, ezeket az egyenleteket használjuk a fázistermodinamikai modellben.
Általában, hozzáadjuk néhány tagot, mint például egy rugalmassági tag, egy gradiens tag, és egy elektrosztatikus tag ezen szabad energiához.
Az egyenletek megoldása a véges differenciál módszerrel, a Lineáris rugalmasság és a Gauss-törvény korlátozásai alapján történik.
Egy ferroelektrikus anyag spontán polarizációjának köbös-téglalap alakú fázisátmenete kifejezhető a szabad energiakifejezésből.
Ez dupla energia minimummal rendelkezik P = ± Ps.
Ps → spontán polarizáció
A negatív gyök elhagyásával és az α11 = 0 behelyettesítésével kapjuk:
Polarizáció és Hysteresis Loop
Először, vegyük egy dielektrikus anyagot, és adjunk hozzá perifériai elektromos mezőt. Látható, hogy a polarizáció mindig arányos lesz az alkalmazott mezővel, ahogy a 2. ábra mutatja.
Következőként, ha polarizálunk egy paraelektrikus anyagot, nemlineáris polarizációt kapunk. Azonban ez a mező függvénye, ahogy a 3. ábra mutatja.
Vegyük most egy ferroelektrikus anyagot, és adjunk hozzá elektromos mezőt. Nemlineáris polarizációt kapunk.
Ez magától álló nemzéró polarizációt mutat, anélkül, hogy perifériai mezőt adnánk hozzá.
Látható, hogy az alkalmazott elektromos mező irányának megváltoztatásával a polarizáció irányát is meg lehet fordítani vagy változtatni.
Tehát azt mondhatjuk, hogy a polarizáció függeni fog a jelenlegi és a korábbi elektromos mező állapotától. A hysteresis loop a 4. ábrán látható.
