Фероелектрични материјали: Што се тоа?

Што се фероелектрични материјали?

Фероелектричните материјали се материјали кои покажуваат фероелектричност. Фероелектричноста е способноста на материјалот да има спонтана електрична поляризација. Оваа поляризација може да се обрне со примената на надворешно електрично поле во спротивна насока (слика 1 подолу). Фероелектричността (и следователно фероелектричните материјали) беше откриена од Рошел сол од Валасек во 1921 година.

Обрнувањето на поляритетот на фероелектричниот материјал преку примената на надворешно електрично поле се нарекува „превклучување“.

Фероелектричните материјали можат да одржуваат поляризацијата дури и кога електричното поле е уклоњено. Фероелектричните материјали имаат некои сличности со феромагнетните материјали, кои покажуваат постојан магнетен момент. Хистерезисната петлица е приближно иста за оба материјала.

Бидејќи имаат сличности, префиксите се исти за оба материјала. Но, не мораат сите фероелектрични материјали да содржат железо (ферро).

Сите фероелектрични материјали покажуваат пиецоелектричен ефект. Супротивните својства на овие материјали се гледаат во антиферомагнетните материјали.

Теорија на фероелектричните материјали

Слободната енергија на фероелектричниот материјал, базирана на теоријата на Гинбург-Ландо без електрично поле и било какво применето напрегнување, може да се запише како Тейлорова експанзија. Тоа е напишано во термини на P (параметар на редослед) како

(ако се користи шести ред на експанзија)
Px → компонент на векторот на поляризација, x
Py → компонент на векторот на поляризација, y
Pz → компонент на векторот на поляризација, z
αi, αij, αijk → коефициенти кои треба да бидат константни со кристалната симетрија.
α0 > 0, α111> 0 → за сите фероелектрични материјали
α11< 0 → фероелектрични материјали со прв ред на транзиција
α0 > 0 → фероелектрични материјали со втор ред на транзиција

За истражување на различни феномени и формирање на домени во фероелектричните материјали, овие равенки се користат во фазно-полски модел.

Обично, тоа се користи со додавање на некои термини како еластичен термин, градиентен термин и електростатичен термин на оваа равенка за слободна енергија.

Користејќи методот на коначни разлики, равенките се решаваат под услови на линеарна еластичност и законот на Гаус.

Транзицијата од кубичен до тетрагонален фаза на спонтаната поляризација на фероелектричниот материјал може да се добие од изразот за слободна енергија.

Има карактер на потенцијал со двојни џепи со двојни минимуми на енергија при P = ± Ps.
Ps → спонтана поляризација

Со поедноставување, елиминација на негативниот корен и замена на α11 = 0, добиваме,

Поляризација и хистерезисна петлица

Прво, земаме диелектричен материјал, и му се дава периферно електрично поле. Можеме да видиме дека поляризацијата ќе биде директно пропорционална на применетото поле, како што е прикажано на слика 2.

Потоа, кога полираме паразелектричен материјал, добиваме нелинеарна поляризација. Меѓутоа, тоа е функција на полето, како што е прикажано на слика 3.

Потоа, земаме фероелектричен материјал, и му се дава електрично поле. Добиваме нелинеарна поляризација.

Тоа исто така покажува ненултна спонтана поляризација без периферно поле.

Можеме исто така да видиме дека со инвертирање на насоката на применетото електрично поле, насоката на поляризацијата може да се инвертира или промени.

Значи, можеме да кажеме дека поляризацијата ќе зависи од настоящата и претходната состојба на електричното поле. Хистерезисната петлица се добива како на слика 4.