Ferroelektrik Malzemeler: Nedir?

Alan: Temel Elektrik

China

Ferroelektrik Malzemeler Nedir?

Ferroelektrik malzemeler, ferroelektriklik özelliğini gösteren malzemelerdir. Ferroelektriklik, malzemenin kendiliğinden elektrik polarizasyonuna sahip olma yeteneğidir. Bu polarizasyon, dışarıdan uygulanan zıt yönlü bir elektrik alan ile tersine çevrilebilir (aşağıdaki şekil 1). Ferroelektriklik (ve dolayısıyla ferroelektrik malzemeler) 1921 yılında Valasek tarafından Rochelle tuzu ile keşfedilmiştir.

Bir ferroelektrik malzemenin dışarıdan uygulanan bir elektrik alan ile polarytesinin tersine çevrilmesi "switching" olarak adlandırılır.

Ferroelektrik malzemeler, elektrik alan kaldırıldığında bile polarizasyonunu koruyabilirler. Ferroelektrik malzemeler, kalıcı manyetik anına sahip olan ferromanyetik malzemeler üzerinde bazı benzerlikler gösterir. Her iki malzeme için de histeresis döngüsü neredeyse aynıdır.

ferroelectric materials

Benzerlikler olduğu için, her iki malzeme için de ön ek aynıdır. Ancak tüm ferroelektrik malzemelerin demir (Ferro) içermesi gerekmez.

Tüm ferroelektrik malzemeler piezoelektrik etkiye sahiptir. Bu malzemelerin karşıt özellikleri antiferromanyetik malzemelerde görülür.

Ferroelektrik Malzemeler Teorisi

Herhangi bir elektrik alan ve uygulanan gerilme olmadan Ginburg-Landau teorisine dayalı ferroelektrik malzemenin serbest enerjisi Taylor açılımı şeklinde yazılabilir. P (sıralama parametresi) cinsinden şu şekilde yazılır:

(altıncı derece genişleme kullanıldığında)
Px → kutuplaşma vektörünün x bileşeni
Py → kutuplaşma vektörünün y bileşeni
Pz → kutuplaşma vektörünün z bileşeni
αi, αij, αijk → katsayılar kristal simetrisiyle sabit olmalıdır.
α0 > 0, α111> 0 → tüm ferroelektrikler için
α11< 0 → birinci derece geçişe sahip ferroelektrikler için
α0 > 0 → ikinci derece geçişe sahip ferroelektrikler için

Ferroelektriklerde farklı fenomenlerin ve alan oluşumunun incelenmesinde bu denklemler faz-alan modelinde kullanılır.

Genellikle, bu serbest enerji denkleminin bazı terimler eklenerek (bir elastik terim, bir gradyan terimi ve bir elektrostatik terim) kullanılır.

Sonlu fark yöntemi kullanılarak, denklemler doğrusal elastisite ve Gauss'un yasası kısıtlamalarına tabi olarak çözülür.

Bir ferroelektrikte kübikten tetragonal faz geçişi, serbest enerji ifadesinden elde edilebilir.

P = ± Ps değerlerinde çift enerji minimumları olan çift kuyu potansiyeli karakterine sahiptir.
Ps → spontane kutuplaşma

Negatif kökü ortadan kaldırarak ve α11 = 0 ile basitleştirerek elde edilir,

Kutuplaşma ve Histeresis Döngüsü

Öncelikle, bir dielektrik malzeme alıyoruz ve çevresel bir elektrik alan uygulanıyor. Görebiliyoruz ki, kutuplaşmanın her zaman uygulanan alana orantılı olduğunu, bu da şekil 2'de gösterilmiştir.
ferroelectric materials
Sonra, bir paraelektrik malzemeyi kutuplaştırdığımızda, doğrusal olmayan bir kutuplaşma elde ediyoruz. Ancak, bu, alana bağlı bir fonksiyondur, bu da şekil 3'te gösterilmiştir.

Daha sonra, bir ferroeletirik malzeme alıyoruz ve bir elektrik alan uygulanıyor. Doğrusal olmayan bir kutuplaşma elde ediyoruz.

Ayrıca, çevre alan olmadan sıfır olmayan spontane kutuplaşmayı da sergiler.

Uygulanan elektrik alanının yönünü tersine çevirerek, kutuplaşmanın yönünün de değiştirilebileceğini görebiliriz.

Böylece, kutuplaşmanın mevcut ve önceki elektrik alan durumuna bağlı olduğunu söyleyebiliriz. Histeresis döngüsü, şekil 4'te gösterildiği gibi elde edilir.
ferroelectric materials

Curie Sıcaklığı

Bu malzemelerin özellikleri sadece belirli bir faz geçiş sıcaklığının altında var olur. Bu sıcaklık üzerinde, malzeme paraelektrik malzeme haline gelir.

Yani, spontane kutuplaşmanın kaybedilmesi. Bu belirli sıcaklık, Curie sıcaklığı (TC) olarak adlandırılır.

Bu malzemelerin çoğu Tc üzerinde piezoelektrik özelliğini de kaybeder.

Kurie-Weiss yasası, non-polar, paraelektrik durumda dielektrik sabitinin sıcaklıkla olan değişimi aşağıdaki gibi gösterir.

ε → Dielektrik sabit
ε∞ → T >> TC sıcaklığında ε
A → Sabit
TC → Curie noktası
T → Sıcaklık
χ → Kısırlık
CC → Malzemenin Curie sabiti