Materiali ferroelettrici: cos'è?
Cos'è un materiale ferroelettrico?
I materiali ferroelettrici sono materiali che esibiscono la ferroeletticità. La ferroeletticità è la capacità del materiale di avere una polarizzazione elettrica spontanea. Questa polarizzazione può essere invertita mediante l'applicazione di un campo elettrico in direzione opposta (vedi figura 1 sottostante). La ferroeletticità (e quindi i materiali ferroelettrici) fu scoperta nel 1921 da Valasek tramite il sale di Rochelle.
L'inversione della polarità di un materiale ferroelettrico mediante l'applicazione di un campo elettrico esterno viene chiamata "switching".
I materiali ferroelettrici possono mantenere la polarizzazione anche dopo la rimozione del campo elettrico. I materiali ferroelettrici presentano alcune similitudini con i materiali ferromagnetici, che rivelano un momento magnetico permanente. Il ciclo di isteresi è quasi lo stesso per entrambi i materiali.
Poiché esistono similitudini, il prefisso è lo stesso per entrambi i materiali. Tuttavia, non tutti i materiali ferroelettrici devono contenere ferro (Ferro).
Tutti i materiali ferroelettrici esibiscono un effetto piezoelettrico. Le proprietà opposte di questi materiali si vedono nei materiali antiferromagnetici.
Teoria dei materiali ferroelettrici
L'energia libera di un materiale ferroelettrico basata sulla teoria di Ginburg-Landau senza campo elettrico e qualsiasi stress applicato può essere scritta come espansione di Taylor. È scritta in termini di P (parametro d'ordine) come
(se viene utilizzata l'espansione al sesto ordine)
Px → componente del vettore di polarizzazione, x
Py → componente del vettore di polarizzazione, y
Pz → componente del vettore di polarizzazione, z
αi, αij, αijk → coefficienti che dovrebbero essere costanti con la simmetria del cristallo.
α0 > 0, α111> 0 → per tutti i ferroelettrici
α11< 0 → ferroelettrici con transizione di primo ordine
α0 > 0 → ferroelettrici con transizione di secondo ordine
Per investigare diversi fenomeni e la formazione dei domini nei ferroelettrici, queste equazioni vengono utilizzate nel modello di campo di fase.
Di solito, viene utilizzato aggiungendo alcuni termini come un termine elastico, un termine di gradiente e un termine elettrostatico a questa equazione di energia libera.
Utilizzando il metodo delle differenze finite, le equazioni vengono risolte soggette alle condizioni di elasticità lineare e alla legge di Gauss.
La transizione di fase da cubica a tetragonale della polarizzazione spontanea di un ferroelettrico può essere ottenuta dall'espressione dell'energia libera.
Ha un carattere di potenziale a doppio pozzo con doppie minime di energia a P = ± Ps.
Ps → polarizzazione spontanea
Semplificando, eliminando la radice negativa e sostituendo α11 = 0 otteniamo,
Polarizzazione e ciclo di isteresi
Inizialmente, prendiamo un materiale dielettrico, e viene fornito un campo elettrico periferico. Possiamo vedere che la polarizzazione sarà sempre proporzionale al campo applicato, rappresentato nella figura 2.
Successivamente, quando polarizziamo un materiale paraelettrico, otteniamo una polarizzazione non lineare. Tuttavia, è una funzione del campo, come mostrato nella figura 3.
Successivamente, prendiamo un materiale ferroelettrico, e gli viene fornito un campo elettrico. Otteniamo una polarizzazione non lineare.
Esso esibisce anche una polarizzazione spontanea non nulla senza un campo periferico.
Possiamo anche vedere che invertendo la direzione del campo elettrico applicato, la direzione della polarizzazione può essere invertita o cambiata.
Quindi, possiamo dire che la polarizzazione dipenderà dalla situazione attuale e precedente del campo elettrico. Il ciclo di isteresi è ottenuto come in figura 4.
Temperatura di Curie
