Mga Materyales na Ferroelectric: Ano Sila?
Ano ang mga Ferroelectric Materials?
Ang mga ferroelectric materials ay mga materyales na nagpapakita ng ferroelectricity. Ang ferroelectricity ay ang kakayahan ng materyal na magkaroon ng spontaneus na elektrikong polarization. Ang polarization na ito ay maaaring baligtarin sa pamamagitan ng pag-apply ng panlabas na electric field sa kabaligtarang direksyon (tignan ang larawan 1 sa ibaba). Ang ferroelectricity (at kaya ang mga ferroelectric materials) ay natuklasan ni Valasek sa pamamagitan ng Rochelle salt noong 1921.
Ang pagbaligtad ng polarity ng isang ferroelectric material sa pamamagitan ng pag-apply ng panlabas na electric field ay tinatawag na “switching”.
Ang mga ferroelectric materials ay maaaring i-maintain ang polarization kahit na ang electric field ay naalis na. May ilang katulad ang mga ferroelectric materials sa ferromagnetic materials, na nagpapakita ng permanenteng magnetic moment. Ang hysteresis loop ay halos pareho para sa parehong materyal.
Dahil may mga katulad, ang prefix ay pareho para sa parehong materyal. Ngunit hindi lahat ng ferroelectric material ay dapat may Ferro (iron).
Lahat ng ferroelectric materials ay nagpapakita ng piezoelectric effect. Ang mga kabaligtarang katangian ng mga materyal na ito ay makikita sa antiferromagnetic materials.
Teorya ng Mga Ferroelectric Materials
Ang free energy ng ferroelectric material batay sa Ginburg-Landau theory nang walang electric field at anumang applied stress ay maaaring isulat bilang Taylor expansion. Ito ay isinulat sa termino ng P (order parameter) bilang
(kung ang paglalawig ng ika-anim na order ay ginagamit)
Px → bahagi ng bektor ng polarisasyon, x
Py → bahagi ng bektor ng polarisasyon, y
Pz → bahagi ng bektor ng polarisasyon, z
αi, αij, αijk → ang mga koepisyente ay dapat na constant batay sa simetriya ng kristal.
α0 > 0, α111> 0 → para sa lahat ng ferroelectrics
α11< 0 → ferroelectrics na may unang-order transition
α0 > 0 → ferroelectrics na may ikalawang-order transition
Para sa pagsisiyasat ng iba't ibang mga phenomena at pagbuo ng domain sa ferroelectrics, ang mga ekwasyong ito ay ginagamit sa phase-field model.
Kadalasang, ito ay ginagamit sa pamamagitan ng pagdaragdag ng ilang mga termino tulad ng isang elastic term, isang gradient term, at isang electrostatic term sa ekwasyon ng libreng enerhiya.
Gamit ang finite difference method, ang mga ekwasyon ay nasasagot batay sa mga constraints ng Linear elasticity at Gauss’s law.
Ang cubic to tetragonal phase transition ng spontaneous polarization ng isang ferroelectric ay maaaring makamit mula sa expression para sa libreng enerhiya.
Ito ay may karakter ng dual well potential na may double energy minima sa P = ± Ps.
Ps → spontaneous polarization
Sa pamamagitan ng simplipikasyon, pag-alis ng negatibong ugat, at pag-substitute ng α11 = 0, nakuha natin,
Polarisasyon at Hysteresis Loop
Unauna, kinukuha natin ang isang dielectric material, at ibinibigay ang isang peripheric na electric field. Makikita natin na ang polarization ay laging direktang proporsyonal sa inilapat na field, na ipinapakita sa figure 2.
Pagkatapos, kapag pinolarize natin ang isang paraelectric material, nakakakuha tayo ng hindi linear na polarization. Gayunpaman, ito ay isang function ng field, tulad ng ipinapakita sa figure 3.
Pagkatapos, kinukuha natin ang isang ferroelectric material, at ibinibigay ang isang electric field dito. Nakakakuha tayo ng hindi linear na polarization.
Ito rin ay nagpapakita ng hindi sero na spontaneous polarization kahit wala ang peripheral field.
Makikita din natin na sa pamamagitan ng pagbaliktad ng direksyon ng inilapat na electrical field, maaaring baligtarin o baguhin ang direksyon ng polarization.
Kaya, maaari nating sabihin na ang polarization ay magdedepende sa kasalukuyan at dating kondisyon ng electric field. Ang hysteresis loop ay nakuha tulad ng ipinapakita sa figure 4.
Curie Temperature
Ang mga katangian ng mga materyales na ito ay umiiral lamang sa ibaba ng tiyak na phase conversion temperature. Sa itaas ng temperatura na ito, ang materyal ay maging paraelectric materials.
Ito ay, nawalan ng spontaneous polarization. Ang tiyak na temperatura na ito ay tinatawag na Curie temperature (TC).
Karamihan sa mga materyales na ito sa itaas ng Tc ay mawawalan din ng piezoelectric property.
Ang pagbabago ng dielectric constant gamit ang temperatura sa non-polar, paraelectric state ay ipinapakita ng Curie-Weiss law bilang nasa ibaba.
ε → Dielectric constant
ε∞ → ε sa temperatura, T >> TC
A → Constant
TC → Curie point
T → Temperature
χ → Susceptibility
CC → Curie constant ng materyal
Ang dielectric constant at temperature characteristic ng ferroelectric material ay ipinapakita sa ibaba.
Mga Halimbawa ng Ferroelectric Materials
Mga halimbawa ng ferroelectric materials:
BaTiO3
PbTiO3
Lead Zirconate Titanate (PZT)
Triglycine Sulphate
PVDF
Lithium tantalite etc.
Paggamit ng Mga Ferroelectric Materials
Ang mga ferroelectric materials ay may maraming aplikasyon, kabilang dito:
Non-volatile memory
Filters
Pagsasalungat ng liwanag
Transchargers
Mga materyales na electro-optic
Modulators
Piezoelectrics
Display atbp
Pahayag: Igalang ang orihinal, ang mga magandang artikulo ay karapat-dapat na ibahagi, kung mayroong pagsasamantala mangyaring makipag-ugnayan upang i-delete.
