Materiais Ferroelétricos: O Que São?
O que são Materiais Ferroelétricos?
Materiais ferroelétricos são materiais que exibem ferroelectricidade. A ferroelectricidade é a capacidade do material de ter uma polarização elétrica espontânea. Essa polarização pode ser revertida pela aplicação de um campo elétrico externo na direção oposta (veja a figura 1 abaixo). A ferroelectricidade (e, portanto, os materiais ferroelétricos) foi descoberta pelo sal de Rochelle por Valasek em 1921.
A reversão da polaridade de um material ferroelétrico através da aplicação de um campo elétrico externo é chamada de "comutação".
Os materiais ferroelétricos podem manter a polarização mesmo depois que o campo elétrico é removido. Os materiais ferroelétricos têm algumas semelhanças com os materiais ferromagnéticos, que revelam momento magnético permanente. O loop de histerese é quase o mesmo para ambos os materiais.
Como existem semelhanças, o prefixo é o mesmo para ambos os materiais. Mas nem todos os materiais ferroelétricos precisam conter Ferro (ferro).
Todos os materiais ferroelétricos exibem um efeito piezelétrico. As propriedades opostas desses materiais são vistas nos materiais antiferromagnéticos.
Teoria dos Materiais Ferroelétricos
A energia livre de um material ferroelétrico baseada na teoria de Ginburg-Landau sem campo elétrico e qualquer tensão aplicada pode ser escrita como expansão de Taylor. É escrita em termos de P (parâmetro de ordem) como
(se for usada a expansão de sexta ordem)
Px → componente do vetor de polarização, x
Py → componente do vetor de polarização, y
Pz → componente do vetor de polarização, z
αi, αij, αijk → coeficientes devem ser constantes com a simetria do cristal.
α0 > 0, α111> 0 → para todos os ferroelétricos
α11< 0 → ferroelétricos com transição de primeira ordem
α0 > 0 → ferroelétricos com transição de segunda ordem
Para investigar diferentes fenômenos e formação de domínios em ferroelétricos, essas equações são usadas no modelo de campo de fase.
Geralmente, é usado adicionando alguns termos, como um termo elástico, um termo de gradiente e um termo eletrostático a essa equação de energia livre.
Usando o método de diferenças finitas, as equações são resolvidas sujeitas às restrições de elasticidade linear e da lei de Gauss.
Uma transição de fase cúbica para tetragonal da polarização espontânea de um ferroelétrico pode ser obtida a partir da expressão de energia livre.
Tem um caráter de potencial de poço duplo com mínimos de energia duplos em P = ± Ps.
Ps → polarização espontânea
Simplificando, eliminando a raiz negativa e substituindo α11 = 0 obtemos,
Polarização e Loop de Histerese
Primeiro, tomamos um material dielétrico, e um campo elétrico periférico é dado. Podemos ver que a polarização sempre será diretamente proporcional ao campo aplicado, representado na figura 2.
Em seguida, quando polarizamos um material paraelétrico, obtemos uma polarização não linear. No entanto, é uma função do campo, conforme mostrado na figura 3.
Em seguida, tomamos um material ferroelétrico, e um campo elétrico é dado a ele. Obtemos uma polarização não linear.
Ele também exibe polarização espontânea não nula sem um campo periférico.
Também podemos ver que, invertendo a direção do campo elétrico aplicado, a direção da polarização pode ser invertida ou alterada.
Portanto, podemos dizer que a polarização dependerá da condição atual e anterior do campo elétrico. O loop de histerese é obtido como na figura 4.
Temperatura de Curie
