Ферроэлектрические материалы: что это такое?
Что такое ферроэлектрические материалы?
Ферроэлектрические материалы - это материалы, которые обладают ферроэлектричеством. Ферроэлектричество - это способность материала иметь спонтанную электрическую поляризацию. Эту поляризацию можно изменить, применяя внешнее электрическое поле в противоположном направлении (см. рисунок 1 ниже). Ферроэлектричество (и, следовательно, ферроэлектрические материалы) было открыто Валасеком в 1921 году на основе соли Рочелла.
Изменение полярности ферроэлектрического материала путем применения внешнего электрического поля называется "переключением".
Ферроэлектрические материалы могут сохранять поляризацию даже после удаления электрического поля. У ферроэлектрических материалов есть некоторые сходства с ферромагнитными материалами, которые обнаруживают постоянный магнитный момент. Петля гистерезиса почти одинакова для обоих материалов.
Так как есть сходства, префикс одинаков для обоих материалов. Однако не все ферроэлектрические материалы содержат железо.
Все ферроэлектрические материалы проявляют пьезоэлектрический эффект. Противоположные свойства этих материалов наблюдаются в антиферромагнитных материалах.
Теория ферроэлектрических материалов
Свободная энергия ферроэлектрического материала, основанная на теории Гинзбурга-Ландау без электрического поля и любого приложенного напряжения, может быть записана в виде разложения Тейлора. Она записывается в терминах P (параметра порядка) как
(если используется разложение шестого порядка)
Px → компонента вектора поляризации, x
Py → компонента вектора поляризации, y
Pz → компонента вектора поляризации, z
αi, αij, αijk → коэффициенты должны быть постоянными с учетом симметрии кристалла.
α0 > 0, α111> 0 → для всех ферроэлектриков
α11< 0 → ферроэлектрики с переходом первого порядка
α0 > 0 → ферроэлектрики с переходом второго порядка
Для исследования различных явлений и образования доменов в ферроэлектриках эти уравнения используются в фазово-полевом моделировании.
Обычно это делается путем добавления некоторых членов, таких как эластический член, градиентный член и электростатический член, к этому уравнению свободной энергии.
С помощью метода конечных разностей уравнения решаются с учетом ограничений линейной упругости и закона Гаусса.
Переход из кубической в тетрагональную фазу спонтанной поляризации ферроэлектрика можно получить из выражения для свободной энергии.
Он имеет характер потенциала с двойным минимумом энергии при P = ± Ps.
Ps → спонтанная поляризация
Упрощая, исключая отрицательный корень и подставляя α11 = 0, получаем,
Поляризация и петля гистерезиса
Сначала возьмем диэлектрический материал и применим к нему периферийное электрическое поле. Мы видим, что поляризация всегда будет прямо пропорциональна приложенному полю, как показано на рисунке 2.
Затем, когда мы поляризуем параэлектрический материал, мы получаем нелинейную поляризацию. Однако она является функцией поля, как показано на рисунке 3.
Затем возьмем ферроэлектрический материал, и применим к нему электрическое поле. Мы получаем нелинейную поляризацию.
Он также демонстрирует ненулевую спонтанную поляризацию без периферийного поля.
Можно также увидеть, что, инвертируя направление приложенного электрического поля, можно инвертировать или изменить направление поляризации.
Таким образом, можно сказать, что поляризация будет зависеть от текущего и предыдущего состояния электрического поля. Петля гистерезиса получается, как показано на рисунке 4.
