Ferroelektrični materiali: Kaj so?
Kaj so ferielektrični materiali?
Ferielektrični materiali so materiali, ki kažejo ferielektričnost. Ferielektričnost je sposobnost materiala, da ima samodejno električno polarizacijo. Ta polarizacija se lahko obrne z uporabo zunanje električnega polja v nasprotni smeri (slika 1 spodaj). Ferielektričnost (in s tem tudi ferielektrični materiali) je leta 1921 odkril Valasek z Rochelle soljo.
Obratovanje polaritete ferielektričnega materiala z uporabo zunanje električne napetosti se imenuje "preklapljanje".
Ferielektrični materiali lahko ohranjajo polarizacijo tudi po odstranitvi električnega polja. Ferielektrični materiali imajo nekaj podobnosti z feromagnetnimi materiali, ki kažejo trajno magnetno trenutek. Histerznica je skoraj enaka za oba tipa materialov.
Ker obstajajo podobnosti, je prefiks enak za oba tipa materialov. Vendar ne vsi ferielektrični materiali morajo vsebovati železo (fero).
Vsi ferielektrični materiali kažejo piezoelektričen učinek. Nasprotne lastnosti teh materialov so vidne v antiferomagnetnih materialih.
Theory of Ferroelectric Materials
Svobodna energija ferielektričnega materiala na osnovi teorije Ginburg-Landau brez električnega polja in kakršnekoli uporabljene stresa se lahko zapiše kot Taylorjeva razširitev. Zapisana je v smislu P (parametra vrstnega reda) kot
(če je uporabljen šestini redni razvoj)
Px → komponenta vektora polarizacije, x
Py → komponenta vektora polarizacije, y
Pz → komponenta vektora polarizacije, z
αi, αij, αijk → koeficienti morajo biti konstantni glede na kristalno simetrijo.
α0 > 0, α111> 0 → za vse ferielektrične material
α11< 0 → ferielektrični materiali z prvim redom prehoda
α0 > 0 → ferielektrični materiali z drugim redom prehoda
Za raziskovanje različnih pojavov in oblikovanje domen v ferielektričnih materialih se ti enačbi uporabljajo v faznem modelu.
Običajno se uporabljajo z dodanimi členi, kot so elastični člen, gradientni člen in elektrostatični člen, ta enačba svobodne energije.
Enačbe se rešujejo z metodo končnih diferenc, podvržene omejitvam linearne elastičnosti in zakona Gaussovega.
Prehod kubično do tetragonalne faze spontane polarizacije ferielektričnega materiala se lahko izvede iz izraza za svobodno energijo.
Ima karakter dvojnega potencialnega dobitka z dvojnim minimumom energije pri P = ± Ps.
Ps → spontana polarizacija
Z poenostavljanjem, eliminacijo negativnega korena in zamenjavo α11 = 0 dobimo,
Polarizacija in histerznica
Najprej vzememo dielektrični material, in mu damo periferično električno polje. Opazimo, da bo polarizacija vedno neposredno sorazmerna z uporabljenim poljem, kot je prikazano na sliki 2.
Nato, ko polariziramo paraelektrični material, dobimo nelinearno polarizacijo. Vendar je to funkcija polja, kot je prikazano na sliki 3.
Nato vzememo ferielektrični material, in mu damo električno polje. Dobimo nelinearno polarizacijo.
Tudi ta material kaže nenegativno spontano polarizacijo brez periferičnega polja.
Opazimo tudi, da s preobrnljanjem smeri uporabljenega električnega polja, lahko smer polarizacije obrnemo ali spremenimo.
Tako lahko rečemo, da bo polarizacija odvisna od trenutnega in prejšnjega stanja električnega polja. Histerznica se dobi, kot je prikazano na sliki 4.
