Фероелектричні матеріали: що це?

Що таке фероелектричні матеріали?

Фероелектричні матеріали — це матеріали, які демонструють фероелектричні властивості. Фероелектричність — це здатність матеріалу мати спонтанну електричну поляризацію. Ця поляризація може бути змінена застосуванням зовнішнього електричного поля у протилежному напрямку (див. рисунок 1 нижче). Фероелектричність (а отже, і фероелектричні матеріали) була відкрита Валасеком у солях Рочелля в 1921 році.

Зміна полярності фероелектричного матеріалу за допомогою застосування зовнішнього електричного поля називається «перемиканням».

Фероелектричні матеріали можуть підтримувати поляризацію навіть після вилучення електричного поля. Фероелектричні матеріали мають деякі схожості з феромагнітними матеріалами, які виявляють постійний магнітний момент. Петля гістерезису для обох матеріалів майже однакова.

Оскільки є схожості, префікс для обох матеріалів однаковий. Але не всі фероелектричні матеріали мусять містити залізо (ферро).

Усі фероелектричні матеріали демонструють п'єзоелектричний ефект. Протилежні властивості цих матеріалів спостерігаються у антиферомагнітних матеріалах.

Теорія фероелектричних матеріалів

Вільна енергія фероелектричного матеріалу на основі теорії Гінбурга-Ландау без електричного поля та будь-якого прикладеного напруження може бути записана як розширення Тейлора. Вона записується через P (параметр порядку) як

(якщо використовується розширення шостого порядку)
Px → компонента вектора поляризації, x
Py → компонента вектора поляризації, y
Pz → компонента вектора поляризації, z
αi, αij, αijk → коефіцієнти повинні бути сталими зі симетрією кристалу.
α0 > 0, α111> 0 → для всіх фероелектриків
α11< 0 → фероелектрики з першим порядком переходу
α0 > 0 → фероелектрики з другим порядком переходу

Для дослідження різних явищ та формування доменів у фероелектриках ці рівняння використовуються в фазово-полевій моделі.

Зазвичай це робиться додаванням деяких членів, таких як пружний член, градієнтний член та електростатичний член до цього рівняння вільної енергії.

За допомогою методу скінченних різниць, рівняння розв'язуються з урахуванням обмежень лінійної пружності та закону Гаусса.

Перехід від кубічної до тетрагональної фази спонтанної поляризації фероелектрика можна отримати з виразу для вільної енергії.

Це має характер потенціалу подвійного ступеня з подвійними мінімумами енергії при P = ± Ps.
Ps → спонтанна поляризація

Спростивши, виключивши від'ємний корінь, і замінивши α11 = 0, отримаємо,

Поляризація та петля гістерезису

Спочатку беремо дielektrichnyj material, і надаємо периферичне електричне поле. Ми бачимо, що поляризація завжди буде прямо пропорційною до прикладеного поля, що показано на рисунку 2.

Наступно, коли ми поляризуємо парадіелектричний матеріал, ми отримуємо нелінійну поляризацію. Однак, вона є функцією поля, як показано на рисунку 3.

Наступно, беремо фероелектричний матеріал, і надаємо йому електричне поле. Ми отримуємо нелінійну поляризацію.

Він також демонструє ненульову спонтанну поляризацію без периферичного поля.

Ми також бачимо, що, змінюючи напрямок прикладеного електричного поля, можна змінити або змінити напрямок поляризації.

Таким чином, можна сказати, що поляризація буде залежати від