Materiały ferroelektryczne: Co to są?

Co to są ferroelektryczne materiały?

Ferroelektryczne materiały to materiały, które wykazują ferroelektryczność. Ferroelektryczność to zdolność materiału do samorzutnej polaryzacji elektrycznej. Ta polaryzacja może być odwrócona poprzez zastosowanie zewnętrznego pola elektrycznego w przeciwnym kierunku (rysunek 1 poniżej). Ferroelektryczność (i tym samym ferroelektryczne materiały) została odkryta przez Rochelle salt przez Valaseka w 1921 roku.

Odwrócenie polaryzacji ferroelektrycznego materiału poprzez zastosowanie zewnętrznego pola elektrycznego nazywane jest „przełączaniem”.

Ferroelektryczne materiały mogą utrzymywać polaryzację nawet po usunięciu pola elektrycznego. Ferroelektryczne materiały mają pewne podobieństwa do materiałów ferromagnetycznych, które wykazują stałe moment magnetyczny. Pętla histerezydyczna jest prawie taka sama dla obu rodzajów materiałów.

Ponieważ istnieją podobieństwa, przedrostek jest taki sam dla obu rodzajów materiałów. Ale nie wszystkie ferroelektryczne materiały muszą zawierać żelazo (Ferro).

Wszystkie ferroelektryczne materiały wykazują efekt piezoelektryczny. Opozycyjne właściwości tych materiałów widoczne są w materiałach antiferromagnetycznych.

Teoria ferroelektrycznych materiałów

Wolna energia ferroelektrycznego materiału oparta na teorii Ginzburga-Landau bez pola elektrycznego i jakiegokolwiek zastosowanego naprężenia może być zapisana jako rozwinięcie Taylora. Jest zapisywana w zależności od P (parametru porządkowego) jako

(jeśli użyto szóstego stopnia rozszerzenia)
Px → składowa wektora polaryzacji, x
Py → składowa wektora polaryzacji, y
Pz → składowa wektora polaryzacji, z
αi, αij, αijk → współczynniki powinny być stałe z symetrią krystaliczną.
α0 > 0, α111> 0 → dla wszystkich ferroelektryków
α11< 0 → ferroelektryki z przejściem pierwszego rzędu
α0 > 0 → ferroelektryki z przejściem drugiego rzędu

Do badania różnych zjawisk i formowania domen w ferroelektrykach te równania są używane w modelu fazowym.

Zwykle jest używany poprzez dodanie niektórych terminów, takich jak termin sprężysty, termin gradientowy i termin elektrostatyczny do tego równania wolnej energii.

Równania są rozwiązane metodą różnic skończonych podlegając ograniczeniom liniowej sprężystości i prawa Gaussa.

Przejście z fazy kubicznej do tetragonalnej spontanicznej polaryzacji ferroelektryku można uzyskać z wyrażenia na wolną energię.

Ma charakter potencjału podwójnego studnia z podwójnymi minimami energii przy P = ± Ps.
Ps → spontaniczna polaryzacja

Po uproszczeniu, eliminacji ujemnego pierwiastka i podstawienia α11 = 0 otrzymujemy,

Polaryzacja i pętla histerezydyczna

Najpierw bierzemy materiał dielektryczny, a następnie podajemy pole elektryczne. Widzimy, że polaryzacja będzie zawsze proporcjonalna do zastosowanego pola, co jest przedstawione na rysunku 2.

Następnie, gdy polarizujemy materiał paraelektryczny, otrzymujemy nieliniową polaryzację. Jest ona jednak funkcją pola, jak pokazano na rysunku 3.

Następnie bierzemy materiał ferroelektryczny, a następnie podajemy pole elektryczne. Otrzymujemy nieliniową polaryzację.

Pokazuje również niezerową spontaniczną polaryzację bez zewnętrznego pola.

Możemy też zauważyć, że odwracając kierunek zastosowanego pola elektrycznego, możemy odwrócić lub zmienić kierunek polaryzacji.

Tak więc, możemy stwierdzić, że polaryzacja będzie zależeć od obecnej i poprzedniej warunki pola elektrycznego. Pętla histerezydyczna jest otrzymana jak na rysunku 4.

Temperatura Curie