Chất liệu Ferroelectric: Chúng là gì?

Chất liệu Ferroelectric là gì?

Chất liệu ferroelectric là những chất liệu có tính ferroelectric. Tính ferroelectric là khả năng của vật liệu có phân cực điện tự phát. Phân cực này có thể bị đảo ngược bằng cách áp dụng một trường điện từ bên ngoài theo hướng ngược lại (hình 1 dưới đây). Tính ferroelectric (và do đó chất liệu ferroelectric) được phát hiện bởi Rochelle salt bởi Valasek vào năm 1921.

Việc đảo ngược phân cực của chất liệu ferroelectric thông qua việc áp dụng một trường điện từ bên ngoài được gọi là "đảo chiều".

Chất liệu ferroelectric có thể duy trì phân cực ngay cả khi trường điện đã được loại bỏ. Chất liệu ferroelectric có một số điểm tương đồng với chất liệu ferromagnetic, vốn tiết lộ moment từ vĩnh cửu. đường hysteresis gần như giống nhau cho cả hai loại vật liệu.

Vì có sự tương đồng, tiền tố cho cả hai loại vật liệu là giống nhau. Nhưng không phải tất cả các chất liệu ferroelectric đều chứa sắt (Ferro).

Tất cả các chất liệu ferroelectric đều thể hiện hiệu ứng piezoelectric. Các tính chất đối lập của những vật liệu này được thấy trong chất liệu antiferromagnetic.

Lý thuyết về Chất liệu Ferroelectric

Năng lượng tự do của chất liệu ferroelectric dựa trên lý thuyết Ginburg-Landau mà không có trường điện và bất kỳ áp lực nào được áp dụng có thể được viết dưới dạng mở rộng Taylor. Nó được viết theo P (tham số thứ tự) như sau

(nếu sử dụng mở rộng bậc sáu)
Px → thành phần của vector phân cực, x
Py → thành phần của vector phân cực, y
Pz → thành phần của vector phân cực, z
αi, αij, αijk → hệ số nên là hằng số với đối xứng tinh thể.
α0 > 0, α111> 0 → cho tất cả các chất liệu ferroelectric
α11< 0 → chất liệu ferroelectric với chuyển pha bậc nhất
α0 > 0 → chất liệu ferroelectric với chuyển pha bậc hai

Để điều tra các hiện tượng khác nhau và hình thành miền trong chất liệu ferroelectric, các phương trình này được sử dụng trong mô hình phase-field.

Thông thường, nó được sử dụng bằng cách thêm một số thuật ngữ như thuật ngữ đàn hồi, thuật ngữ gradient, và thuật ngữ tĩnh điện vào phương trình năng lượng tự do này.

Sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn, các phương trình được giải quyết theo các ràng buộc của đàn hồi tuyến tính và định luật Gauss.

Chuyển pha từ khối lập phương sang khối tứ giác của phân cực tự phát của chất liệu ferroelectric có thể được lấy từ biểu thức năng lượng tự do.

Nó có đặc tính của tiềm năng hai giếng với hai mức năng lượng tối thiểu tại P = ± Ps.
Ps → phân cực tự phát

Bằng cách đơn giản hóa, loại bỏ nghiệm âm, và thay thế α11 = 0, ta có,

Phân cực và Đường Hysteresis

Trước tiên, chúng ta lấy một chất liệu điện môi, và một trường điện ngoại vi được cung cấp. Chúng ta có thể thấy rằng phân cực sẽ luôn tỷ lệ thuận với trường điện được áp dụng, được biểu diễn trong Hình 2.

Tiếp theo, khi chúng ta phân cực một chất liệu paraelectric, chúng ta nhận được một phân cực phi tuyến. Tuy nhiên, nó là một hàm của trường, như được hiển thị trong Hình 3.

Tiếp theo, chúng ta lấy một chất liệu ferroelectric, và một trường điện được cung cấp cho nó. Chúng ta nhận được một phân cực phi tuyến.

Nó cũng thể hiện phân cực tự phát không bằng không mà không cần trường ngoại vi.

Chúng ta cũng có thể thấy rằng bằng cách đảo ngược hướng của trường điện được áp dụng, hướng của phân cực có thể được đảo ngược hoặc thay đổi.

Do đó, chúng ta có thể nói rằng phân cực sẽ phụ thuộc vào trạng thái hiện tại và trước đó của trường điện. Đường hysteresis được thu được như trong Hình 4.

Nhiệt độ Curie