Ferroelectricitate - Ferroelectricity

Ferroelectricitatea este o caracteristică a anumitor materiale care au o polarizare electrică spontană care poate fi inversată prin aplicarea unui câmp electric extern. Toate feroelectricele sunt piroelectrice , cu proprietatea suplimentară că polarizarea lor electrică naturală este reversibilă. Termenul este folosit în analogie cu feromagnetismul , în care un material prezintă un moment magnetic permanent . Ferromagnetismul era deja cunoscut atunci când feroelectricitatea a fost descoperită în 1920 în sarea Rochelle de către Valasek. Astfel, prefixul ferro , adică fierul, a fost folosit pentru a descrie proprietatea, în ciuda faptului că majoritatea materialelor feroelectrice nu conțin fier. Materialele feroelectrice și feromagnetice sunt cunoscute sub numele de multiferroice .

Polarizare

Când majoritatea materialelor sunt polarizate electric , polarizarea indusă, P , este aproape exact proporțională cu câmpul electric extern aplicat E ; deci polarizarea este o funcție liniară. Aceasta se numește polarizare dielectrică liniară (vezi figura). Unele materiale, cunoscute sub numele de materiale paraelectrice , prezintă o polarizare neliniară mai îmbunătățită (vezi figura). Permitivitatea electrică , corespunzătoare pantei curbei de polarizare, nu este constantă ca în dielectricele liniare, ci este o funcție a câmpului electric extern.

Pe lângă faptul că sunt neliniare, materialele feroelectrice demonstrează o polarizare non-spontană (după antrenare , vezi figura) chiar și atunci când câmpul aplicat E este zero. Caracteristica distinctivă a feroelectricelor este că polarizarea spontană poate fi inversată printr-un câmp electric aplicat în mod corespunzător puternic în direcția opusă; polarizarea este, prin urmare, dependentă nu numai de câmpul electric actual, ci și de istoria sa, producând o buclă de histerezis . Ele sunt numite feroelectrice prin analogie cu materialele feromagnetice , care au magnetizare spontană și prezintă bucle de histerezis similare.

De obicei, materialele demonstrează feroelectricitatea numai sub o anumită temperatură de tranziție de fază, numită temperatura Curie ( T _C ) și sunt paraelectrice peste această temperatură: polarizarea spontană dispare, iar cristalul feroelectric se transformă în stare paraelectrică. Multe feroelectrice își pierd complet proprietățile piroelectrice peste T _C , deoarece faza lor paraelectrică are o structură cristalină centrosimmetrică.

Aplicații

Natura neliniară a materialelor feroelectrice poate fi utilizată pentru a produce condensatoare cu capacitate reglabilă. De obicei, un condensator feroelectric constă pur și simplu dintr-o pereche de electrozi care împrăștiază un strat de material feroelectric. Permitivitatea feroelectricilor nu este doar reglabilă, ci de obicei foarte ridicată, mai ales atunci când este aproape de temperatura de tranziție de fază. Din această cauză, condensatorii feroelectrici au dimensiuni fizice mici în comparație cu condensatorii dielectrici (neacordabili) cu capacitate similară.

Polarizarea spontană a materialelor feroelectrice implică un efect de histerezis care poate fi utilizat ca funcție de memorie, iar condensatorii feroelectrici sunt într-adevăr folosiți pentru a produce RAM feroelectric pentru computere și carduri RFID . În aceste aplicații se folosesc de obicei pelicule subțiri de materiale feroelectrice, deoarece acest lucru permite câmpului necesar comutării polarizării să fie realizat cu o tensiune moderată. Cu toate acestea, atunci când se utilizează folii subțiri, trebuie acordată o mare atenție interfețelor, electrozilor și calității eșantionului pentru ca dispozitivele să funcționeze în mod fiabil.

Din considerente de simetrie, materialele ferroelectrice trebuie să fie și piezoelectrice și piroelectrice. Proprietățile combinate ale memoriei, piezoelectricității și piroelectricității fac condensatorii feroelectrici foarte utili, de exemplu pentru aplicațiile senzorilor. Condensatoarele ferroelectrice sunt utilizate în aparatele cu ultrasunete medicale (condensatoarele generează și apoi ascultă pingul cu ultrasunete folosit pentru a imagina organele interne ale unui corp), camere cu infraroșu de înaltă calitate (imaginea în infraroșu este proiectată pe o gamă bidimensională de condensatori feroelectrici capabili să detectarea diferențelor de temperatură de până la milionimi de grad Celsius), senzori de incendiu, sonar, senzori de vibrații și chiar injectoare de combustibil pe motoarele diesel.

O altă idee de interes recent este joncțiunea feroelectrică a tunelului ( FTJ ) în care un contact este alcătuit dintr-o folie feroelectrică groasă de nanometri plasată între electrozi metalici. Grosimea stratului feroelectric este suficient de mică pentru a permite tunelarea electronilor. Efectele piezoelectrice și de interfață, precum și câmpul de depolarizare pot duce la un efect de comutare gigant de electrorezistență (GER).

O altă aplicație în plină dezvoltare este multiferroica , în care cercetătorii caută modalități de a cupla ordinea magnetică și feroelectrică într-un material sau heterostructură; există mai multe recenzii recente pe această temă.

Proprietățile catalitice ale feroelectricilor au fost studiate din 1952, când Parravano a observat anomalii ale ratelor de oxidare a CO asupra niobaților feroelectric de sodiu și potasiu în apropierea temperaturii Curie a acestor materiale. Componenta perpendiculară pe suprafață a polarizării feroelectrice poate elimina sarcinile dependente de polarizare pe suprafețele materialelor feroelectrice, schimbându-le chimia. Acest lucru deschide posibilitatea de a efectua cataliza dincolo de limitele principiului Sabatier . Principiul Sabatier afirmă că interacțiunea suprafață-adsorbați trebuie să fie o cantitate optimă: nu prea slabă pentru a fi inertă față de reactanți și nu prea puternică pentru a otrăvi suprafața și pentru a evita desorbția produselor: o situație de compromis. Acest set de interacțiuni optime este denumit de obicei „vârful vulcanului” în parcele vulcanice de activitate. Pe de altă parte, chimia feroelectrică dependentă de polarizarea poate oferi posibilitatea schimbării suprafeței - interacțiunea adsorbită de la adsorbție puternică la desorbție puternică , astfel nu mai este necesar un compromis între desorbție și adsorbție. Polarizarea ferroelectrică poate acționa și ca o recoltatoare de energie . Polarizarea poate ajuta la separarea perechilor electron-gaură foto-generate , ducând la fotocataliză îmbunătățită. De asemenea, datorită efectelor piroelectrice și piezoelectrice la temperaturi variate (cicluri de încălzire / răcire) sau condiții variate de tensiune (vibrații) pot apărea încărcări suplimentare la suprafață și conduc diferite reacții chimice (electro) înainte.

Materiale

Dipolii electrici interni ai unui material feroelectric sunt cuplați la rețeaua materialului, astfel încât orice lucru care schimbă rețeaua va schimba rezistența dipolilor (cu alte cuvinte, o schimbare a polarizării spontane). Schimbarea polarizării spontane are ca rezultat o schimbare a sarcinii de suprafață. Acest lucru poate provoca curgerea curentului în cazul unui condensator feroelectric chiar și fără prezența unei tensiuni externe în condensator. Doi stimuli care vor schimba dimensiunile rețelei unui material sunt forța și temperatura. Generarea unei sarcini de suprafață ca răspuns la aplicarea unei solicitări externe asupra unui material se numește piezoelectricitate . O schimbare a polarizării spontane a unui material ca răspuns la o modificare a temperaturii se numește piroelectricitate .

În general, există 230 de grupuri spațiale dintre care 32 de clase cristaline pot fi găsite în cristale. Există 21 de clase non-centrosimetrice, în cadrul cărora 20 sunt piezoelectrice . Dintre clasele piezoelectrice, 10 au o polarizare electrică spontană, care variază în funcție de temperatură, prin urmare acestea sunt piroelectrice . Printre materialele piroelectrice, unele dintre ele sunt feroelectrice.

32 clase cristaline
21 noncentrosimetric				11 centrosimetrice
20 clase piezoelectrice				non piezoelectric
10 clase piroelectrice		non piroelectric
feroelectric	neferoelectric
de exemplu: PbZr / TiO 3 , BaTiO 3 , PbTiO 3	de exemplu: Turmalină , ZnO , AlN	de exemplu: Cuarț , Langasite

Tranzițiile de fază ferroelectrice sunt adesea caracterizate fie ca fiind displazive (cum ar fi BaTiO ₃ ), fie ca tulburări de ordine (cum ar fi NaNO ₂ ), deși adesea tranzițiile de fază vor demonstra elemente ale ambelor comportamente. În titanatul de bariu , un feroelectric tipic de tipul deplasării, tranziția poate fi înțeleasă în termeni de catastrofă de polarizare , în care, dacă un ion este deplasat ușor din echilibru, forța din câmpurile electrice locale datorată ionilor din cristal crește mai repede decât forțele de refacere a elasticului . Acest lucru duce la o schimbare asimetrică în pozițiile ionilor de echilibru și, prin urmare, la un moment dipol permanent. Deplasarea ionică în titanatul de bariu privește poziția relativă a ionului de titan în cușca octaedrică de oxigen. În titanatul de plumb , un alt material feroelectric cheie, deși structura este destul de similară cu titanatul de bariu, forța motrice pentru feroelectricitate este mai complexă, interacțiunile dintre ionii de plumb și oxigen jucând, de asemenea, un rol important. Într-un feroelectric cu tulburări de ordine, există un moment dipolar în fiecare unitate celulară, dar la temperaturi ridicate, acestea sunt îndreptate în direcții aleatorii. La scăderea temperaturii și trecerea prin tranziția de fază, ordinea dipolilor, toate îndreptate în aceeași direcție într-un domeniu.

Un material feroelectric important pentru aplicații este titanatul de zirconat de plumb (PZT), care face parte din soluția solidă formată între titanatul de plumb feroelectric și zirconatul de plumb anti-feroelectric . Diferite compoziții sunt utilizate pentru diferite aplicații; pentru aplicațiile de memorie, PZT este mai preferat în compoziție cu titanatul de plumb, în ​​timp ce aplicațiile piezoelectrice utilizează coeficienții piezoelectrici divergenți asociați cu limita fazei morfotrope care se găsește aproape de compoziția 50/50.

Cristalele ferroelectrice prezintă adesea mai multe temperaturi de tranziție și histerezisul structurii domeniului , la fel ca și cristalele feromagnetice . Natura tranziției de fază în unele cristale feroelectrice nu este încă bine înțeleasă.

În 1974, RB Meyer a folosit argumente de simetrie pentru a prezice cristale lichide feroelectrice , iar predicția ar putea fi imediat verificată prin mai multe observații ale comportamentului legat de feroelectricitate în fazele smectice de cristal lichid care sunt chirale și înclinate. Tehnologia permite construirea de monitoare cu ecran plat. Producția în masă între 1994 și 1999 a fost realizată de Canon. Cristalele lichide ferroelectrice sunt utilizate în producția de LCoS reflectorizante .

În 2010, David Field a descoperit că filmele prozaice de substanțe chimice precum oxidul de azot sau propanul prezentau proprietăți feroelectrice. Această nouă clasă de materiale feroelectrice prezintă proprietăți „ spontelectrice ” și poate avea aplicații pe scară largă în dispozitiv și nanotecnologie și, de asemenea, influențează natura electrică a prafului în mediul interstelar.

Alte materiale feroelectrice utilizate includ sulfat de triglicină , fluorură de poliviniliden (PVDF) și tantalat de litiu .

Ar trebui să fie posibil să se producă materiale care combină atât proprietățile feroelectrice, cât și cele metalice simultan, la temperatura camerei. Potrivit cercetărilor publicate în 2018 în Nature Communications , oamenii de știință au reușit să producă o foaie de material „bidimensională” care era atât „feroelectrică” (avea o structură cristalină polară), cât și care conducea electricitatea.

Teorie

O introducere în teoria Landau poate fi găsită aici. Pe baza teoriei Ginzburg-Landau , energia liberă a unui material feroelectric, în absența unui câmp electric și de stres aplicate poate fi scris ca o extindere Taylor în ceea ce privește parametrul ordine, P . Dacă se folosește o expansiune de ordinul șase (adică ordinul 8 și termeni superiori trunchiați), energia liberă este dată de:

${\ displaystyle {\ begin {array} {ll} \ Delta E = & {\ frac {1} {2}} \ alpha _ {0} \ left (T-T_ {0} \ right) \ left (P_ { x} ^ {2} + P_ {y} ^ {2} + P_ {z} ^ {2} \ right) + {\ frac {1} {4}} \ alpha _ {11} \ left (P_ {x } ^ {4} + P_ {y} ^ {4} + P_ {z} ^ {4} \ right) \\ & + {\ frac {1} {2}} \ alpha _ {12} \ left (P_ {x} ^ {2} P_ {y} ^ {2} + P_ {y} ^ {2} P_ {z} ^ {2} + P_ {z} ^ {2} P_ {x} ^ {2} \ dreapta) \\ & + {\ frac {1} {6}} \ alpha _ {111} \ left (P_ {x} ^ {6} + P_ {y} ^ {6} + P_ {z} ^ {6 } \ right) \\ & + {\ frac {1} {2}} \ alpha _ {112} \ left [P_ {x} ^ {4} \ left (P_ {y} ^ {2} + P_ {z } ^ {2} \ right) + P_ {y} ^ {4} \ left (P_ {x} ^ {2} + P_ {z} ^ {2} \ right) + P_ {z} ^ {4} \ stânga (P_ {x} ^ {2} + P_ {y} ^ {2} \ right) \ right] \\ & + {\ frac {1} {2}} \ alpha _ {123} P_ {x} ^ {2} P_ {y} ^ {2} P_ {z} ^ {2} \ end {array}}}$

unde P _x , P _y și P _z sunt componentele vectorului de polarizare în direcțiile x , y , respectiv z și coeficienții, trebuie să fie în concordanță cu simetria cristalului. Pentru a investiga formarea domeniului și alte fenomene din feroelectrice, aceste ecuații sunt adesea folosite în contextul unui model de câmp de fază . De obicei, aceasta implică adăugarea unui termen de gradient, a unui termen electrostatic și a unui termen elastic la energia liberă. Ecuațiile sunt apoi discretizate pe o grilă folosind metoda diferenței finite sau metoda elementelor finite și rezolvate sub rezerva constrângerilor legii lui Gauss și a elasticității liniare . ${\ displaystyle \ alpha _ {i}, \ alpha _ {ij}, \ alpha _ {ijk}}$

În toate feroelectricele cunoscute și . Acești coeficienți pot fi obținuți experimental sau din simulări ab-initio. Pentru feroelectrice cu o tranziție de fază de primul ordin , în timp ce pentru o tranziție de fază de ordinul doi. ${\ displaystyle \ alpha _ {0}> 0}$${\ displaystyle \ alpha _ {111}> 0}$${\ displaystyle \ alpha _ {11} <0}$${\ displaystyle \ alpha _ {11}> 0}$

Polarizare spontană , P _e un feroelectric pentru un cub pentru tranziție de fază tetragonală poate fi obținută prin considerarea expresiei 1D a energiei libere care este:

${\ displaystyle \ Delta E = {\ frac {1} {2}} \ alpha _ {0} \ left (T-T_ {0} \ right) P_ {x} ^ {2} + {\ frac {1} {4}} \ alpha _ {11} P_ {x} ^ {4} + {\ frac {1} {6}} \ alpha _ {111} P_ {x} ^ {6}}$

Această energie liberă are forma unui potențial de dublu puț cu două minime de energie liberă la , polarizarea spontană. Găsim derivata energiei libere și o setăm egală cu zero pentru a rezolva pentru : ${\ displaystyle P_ {x} = P_ {s}}$${\ displaystyle P_ {s}}$

${\ displaystyle {\ frac {\ partial \ Delta E} {\ partial P_ {x}}} = \ alpha _ {0} \ left (T-T_ {0} \ right) P_ {x} + \ alpha _ { 11} P_ {x} ^ {3} + \ alpha _ {111} P_ {x} ^ {5}}$

${\ displaystyle 0 = {\ frac {\ partial \ Delta E} {\ partial P_ {x}}} = P_ {s} \ left [\ alpha _ {0} \ left (T-T_ {0} \ right) + \ alpha _ {11} P_ {s} ^ {2} + \ alpha _ {111} P_ {s} ^ {4} \ right]}$

Deoarece soluția P _s = 0 a acestei ecuații corespunde mai degrabă cu o energie liberă maximă în faza feroelectrică, soluțiile dorite pentru P _s corespund setării factorului rămas la zero:

${\ displaystyle \ alpha _ {0} \ left (T-T_ {0} \ right) + \ alpha _ {11} P_ {s} ^ {2} + \ alpha _ {111} P_ {s} ^ {4 } = 0}$

a cărei soluție este:

${\ displaystyle P_ {s} ^ {2} = {\ frac {1} {2 \ alpha _ {111}}} \ left [- \ alpha _ {11} \ pm {\ sqrt {\ alpha _ {11} ^ {2} +4 \ alpha _ {0} \ alpha _ {111} \ left (T_ {0} -T \ right)}} \; \ right]}$

și eliminarea soluțiilor care iau rădăcina pătrată a unui număr negativ (fie pentru tranzițiile de fază de ordinul întâi, fie pentru a doua) dă:

${\ displaystyle P_ {s} = \ pm {\ sqrt {{\ frac {1} {2 \ alpha _ {111}}} \ left [- \ alpha _ {11} + {\ sqrt {\ alpha _ {11 } ^ {2} +4 \ alpha _ {0} \ alpha _ {111} \ left (T_ {0} -T \ right)}} \; \ right]}}}$

Dacă , soluția pentru polarizarea spontană se reduce la: ${\ displaystyle \ alpha _ {11} = 0}$

${\ displaystyle P_ {s} = \ pm {\ sqrt [{4}] {\ frac {\ alpha _ {0} \ left (T_ {0} -T \ right)} {\ alpha _ {111}}} }}$

Bucla de histerezis (P _x versus E _x ) poate fi obținută din expansiunea energiei libere prin includerea termenului -E _x P _x corespunzător energiei datorate unui câmp electric extern E _{x care} interacționează cu polarizarea P _x , după cum urmează:

${\ displaystyle \ Delta E = {\ frac {1} {2}} \ alpha _ {0} \ left (T-T_ {0} \ right) P_ {x} ^ {2} + {\ frac {1} {4}} \ alpha _ {11} P_ {x} ^ {4} + {\ frac {1} {6}} \ alpha _ {111} P_ {x} ^ {6} -E_ {x} P_ { X}}$

Găsim valorile de polarizare stabile ale lui P _x sub influența câmpului extern , acum denotat ca P _e , din nou prin stabilirea derivatei energiei în raport cu P _x la zero:

${\ displaystyle {\ frac {\ partial \ Delta E} {\ partial P_ {x}}} = \ alpha _ {0} \ left (T-T_ {0} \ right) P_ {x} + \ alpha _ { 11} P_ {x} ^ {3} + \ alpha _ {111} P_ {x} ^ {5} -E_ {x} = 0}$

${\ displaystyle E_ {x} = \ alpha _ {0} \ left (T-T_ {0} \ right) P_ {e} + \ alpha _ {11} P_ {e} ^ {3} + \ alpha _ { 111} P_ {e} ^ {5}}$

Trasarea lui E _x (pe axa X) în funcție de P _e (dar pe axa Y) dă o curbă în formă de „S” care este multivalorizată în P _e pentru unele valori ale lui E _x . Partea centrală a „S” corespunde unui maxim local de energie liberă (din moment ce ). Eliminarea acestei regiuni și conectarea porțiunilor superioare și inferioare ale curbei „S” prin linii verticale la discontinuități oferă bucla de histerezis a polarizării interne datorită unui câmp electric extern. ${\ displaystyle {\ frac {\ partial ^ {2} \ Delta E} {\ partial P_ {x} ^ {2}}} <0}$

Vezi si

Referințe

Lecturi suplimentare

• AS Sidorkin (2006). Structura domeniului în ferroelectrice și materiale conexe . Cambridge University Press. ISBN 978-1-904602-14-9.
• Karin M Rabe ; Jean-Marc Triscone; Charles H Ahn (2007). Fizica ferroelectrică: o perspectivă modernă . Springer. ISBN 978-3-540-34591-6.
• Julio A. Gonzalo (2006). Abordare eficientă pe teren a tranzițiilor de fază și unele aplicații la ferroelectrice . World Scientific. ISBN 978-981-256-875-5.

linkuri externe

• Materiale ferroelectrice la Universitatea din Cambridge