Ferroelektriska material: Vad är de?
Vad är ferroelektriska material?
Ferroelektriska material är material som visar ferroelektricitet. Ferroelektricitet är förmågan hos materialet att ha en spontan elektrisk polarisering. Denna polarisering kan växlas genom tillämpning av ett externt elektriskt fält i motsatt riktning (se figur 1 nedan). Ferroelektricitet (och därmed ferroelektriska material) upptäcktes av Rochelle salt av Valasek 1921.
Växlingen av polaritet hos ett ferroelektriskt material genom tillämpning av ett externt elektriskt fält kallas "växling".
Ferroelektriska material kan bibehålla polariseringen även när det elektriska fältet tas bort. Ferroelektriska material har vissa likheter med ferromagnetiska material, som visar permanent magnetisk moment. Hysteresisslingan är nästan densamma för båda materialen.
Eftersom det finns likheter, är prefixet samma för båda materialen. Men alla ferroelektriska material behöver inte innehålla järn (Ferro).
Alla ferroelektriska material visar en piezoelektrisk effekt. De motsatta egenskaperna hos dessa material ses i antiferromagnetiska material.
Teori om ferroelektriska material
Den fria energin för ferroelektriska material baserat på Ginburg-Landau-teorin utan elektriskt fält och någon tillämpad spänning kan skrivas som Taylorutveckling. Det skrivs i termer av P (ordningsparameter) som
(om sjätte-ordningens utveckling används)
Px → komponent av polarisationsvektor, x
Py → komponent av polarisationsvektor, y
Pz → komponent av polarisationsvektor, z
αi, αij, αijk → koefficienter bör vara konstanta med kristallsymmetrin.
α0 > 0, α111> 0 → för alla ferroelektrika
α11< 0 → ferroelektriska med första ordningens övergång
α0 > 0 → ferroelektriska med andra ordningens övergång
För att undersöka olika fenomen och domänbildning i ferroelektriska material används dessa ekvationer i fasfältmodellen.
Vanligtvis används det genom att lägga till några termer som en elastisk term, en gradientterm och en elektrostatis term till denna fria energiekvation.
Med hjälp av finita differensmetoden löses ekvationerna under linjära elasticitet och Gauss lag begränsningar.
En kubisk till tetragonalfasövergång av spontan polarisering av ett ferroelektriskt material kan erhållas från uttrycket för fri energi.
Det har karaktären av en dualvälld potential med dubbla energiminima vid P = ± Ps.
Ps → spontan polarisering
Genom förenkling, eliminering av den negativa roten och substitution av α11 = 0 får vi,
Polarisation och hysteresisslinga
Först tar vi ett dieletriskt material, och ett perifert elektriskt fält ges. Vi kan se att polariseringen alltid kommer att vara direkt proportionell mot det tillämpade fältet, vilket visas i figur 2.
Nästa, när vi polariserar ett paraelektriskt material, får vi en icke-linjär polarisering. Detta är dock en funktion av fältet, som visas i figur 3.
Nästa, vi tar ett ferroelektriskt material, och ett elektriskt fält ges till det. Vi får en icke-linjär polarisering.
Det visar också nollskild spontan polarisering utan perifert fält.
Vi kan också se att genom att invertera riktningen av det tillämpade elektriska fältet, kan riktningen av polariseringen inverteras eller ändras.
Således kan vi säga att polariseringen kommer att bero på den nuvarande och tidigare tillståndet av det elektriska fältet. Hysteresisslingan erhålls som i figur 4.
Curietempératur
