Ferroelektriske materialer: Hva er de?
Hva er ferroelektriske materialer?
Ferroelektriske materialer er materialer som viser ferroelektrisitet. Ferroelektrisitet er evnen til materialet å ha en spontan elektrisk polarisasjon. Denne polariseringen kan omstyrtes ved å anvende et eksternt elektrisk felt i motsatt retning (se figur 1 nedenfor). Ferroelektrisitet (og dermed ferroelektriske materialer) ble oppdaget av Rochelle salt av Valasek i 1921.
Omvendelsen av polariteten hos et ferroelektrisk materiale gjennom anvendelse av et eksternt elektrisk felt kalles "switching".
Ferroelektriske materialer kan beholde polarisasjonen selv etter at det elektriske feltet fjernes. Ferroelektriske materialer har noen likheter med ferromagnetiske materialer, som viser permanent magnetisk moment. Hystereiseløkken er nesten den samme for begge typer materialer.
Ettersom det er likheter, er prefikset det samme for begge typer materialer. Men alle ferroelektriske materialer trenger ikke inneholde jern (Ferro).
Alle ferroelektriske materialer viser en piezoelektrisk effekt. De motsatte egenskapene for disse materialene ses i antiferromagnetiske materialer.
Teori om ferroelektriske materialer
Den frie energien til ferroelektriske materialer basert på Ginburg-Landau-teorien uten elektrisk felt og noen angitte spenninger kan skrives som Taylor-utvidelse. Det skrives i termer av P (ordningsparameter) som
(hvis sjetteordens utvidelse brukes)
Px → komponent av polarisasjonsvektor, x
Py → komponent av polarisasjonsvektor, y
Pz → komponent av polarisasjonsvektor, z
αi, αij, αijk → koeffisienter bør være konstant med krystallsymmetri.
α0 > 0, α111> 0 → for alle ferroelektrika
α11< 0 → ferroelektrika med førsteordens overgang
α0 > 0 → ferroelektrika med andreordens overgang
For å undersøke ulike fenomener og domeneformasjon i ferroelektrika, brukes disse ligningene i fasefeltmodellen.
Vanligvis brukes det ved å legge til noen termer som en elastisk term, en gradientterm og en elektrostatiske term til denne frie energiligningen.
Ved hjelp av endelig differansemetode løses ligningene under Lineær elastisitet og Gauss' lov-betingelser.
En kubisk til tetragonal faseovergang av spontan polarisasjon av et ferroelektrisk materiale kan oppnås fra uttrykket for fri energi.
Det har karakteren av dobbelt potensial med dobbel energiminimum ved P = ± Ps.
Ps → spontan polarisasjon
Ved forenkling, eliminering av den negative rota, og substitusjon av α11 = 0 får vi,
Polarisasjon og hystereiseløkke
Først tar vi et dieletrisk materiale, og gir et periferisk elektrisk felt. Vi ser at polarisasjonen alltid vil være direkte proporsjonal med det angitte feltet, representert i figur 2.
Neste, når vi polariserer et paraelektrisk materiale, får vi en ikke-lineær polarisasjon. Imidlertid er det en funksjon av feltet, som vist i figur 3.
Deretter tar vi et ferroelektrisk materiale, og gir et elektrisk felt til det. Vi får en ikke-lineær polarisasjon.
Det viser også ikke-null spontan polarisasjon uten et periferisk felt.
Vi kan også se at ved å invertere retningen av det angitte elektriske feltet, kan retningen av polarisasjonen inverteres eller endres.
Så kan vi si at polarisasjonen vil avhenge av den nåværende og tidligere tilstanden av det elektriske feltet. Hystereiseløkka blir oppnådd som vist i figur 4.
Curie-temperatur
