Ferroelektricitet - Ferroelectricity

Ferroelektricitet er en egenskab ved visse materialer, der har en spontan elektrisk polarisering, der kan vendes ved anvendelse af et eksternt elektrisk felt. Alle ferroelektriske er pyroelektriske , med den ekstra egenskab, at deres naturlige elektriske polarisering er reversibel. Udtrykket bruges analogt med ferromagnetisme , hvor et materiale udviser et permanent magnetisk moment . Ferromagnetisme var allerede kendt, da ferroelektricitet blev opdaget i 1920 i Rochellesalt af Valasek. Således blev præfikset ferro , der betyder jern, brugt til at beskrive ejendommen på trods af at de fleste ferroelektriske materialer ikke indeholder jern. Materialer, der er både ferroelektriske og ferromagnetiske, kaldes multiferroer .

Polarisering

Når de fleste materialer er elektrisk polariseret , er den inducerede polarisering, P , næsten nøjagtig proportional med det påførte eksterne elektriske felt E ; så polariseringen er en lineær funktion. Dette kaldes lineær dielektrisk polarisering (se figur). Nogle materialer, kendt som paraelektriske materialer, viser en mere forbedret ikke -lineær polarisering (se figur). Den elektriske permittivitet , svarende til polarisationskurvens hældning, er ikke konstant som i lineær dielektri, men er en funktion af det eksterne elektriske felt.

Udover at være ikke -lineære, viser ferroelektriske materialer en spontan ikke -nul polarisering (efter medrivning , se figur), selv når det anvendte felt E er nul. Ferroelektrisk kendetegn er, at den spontane polarisering kan vendes af et passende stærkt påført elektrisk felt i den modsatte retning; polariseringen er derfor ikke kun afhængig af det nuværende elektriske felt, men også af dets historie, hvilket giver en hysteresesløjfe . De kaldes ferroelektrisk analogt med ferromagnetiske materialer, som har spontan magnetisering og udviser lignende hysteresesløjfer.

Typisk viser materialer kun ferroelektricitet under en bestemt faseovergangstemperatur, kaldet Curie -temperaturen ( T _C ) og er paraelektriske over denne temperatur: den spontane polarisering forsvinder, og den ferroelektriske krystal omdannes til den paraelektriske tilstand. Mange ferroelektriske stoffer mister deres pyroelektriske egenskaber over T _C fuldstændigt, fordi deres paraelektriske fase har en centrosymmetrisk krystalstruktur.

Ansøgninger

Ferroelektriske materialers ikke -lineære karakter kan bruges til at fremstille kondensatorer med justerbar kapacitans. Typisk består en ferroelektrisk kondensator simpelthen af ​​et par elektroder, der klemmer et lag ferroelektrisk materiale. Ferroelektrisk permittivitet er ikke kun justerbar, men ofte også meget høj, især når den er tæt på faseovergangstemperaturen. På grund af dette er ferroelektriske kondensatorer små i fysisk størrelse sammenlignet med dielektriske (ikke-indstillelige) kondensatorer med lignende kapacitans.

Den spontane polarisering af ferroelektriske materialer indebærer en hystereseeffekt , der kan bruges som en hukommelsesfunktion, og ferroelektriske kondensatorer bruges faktisk til at lave ferroelektrisk RAM til computere og RFID -kort. I disse applikationer anvendes typisk tynde film af ferroelektriske materialer, da dette gør det muligt at opnå det nødvendige felt for at skifte polarisering med en moderat spænding. Ved brug af tynde film skal der dog lægges stor vægt på grænsefladerne, elektroderne og prøvekvaliteten for at enheder kan fungere pålideligt.

Ferroelektriske materialer kræves af symmetrihensyn også at være piezoelektriske og pyroelektriske. De kombinerede egenskaber ved hukommelse, piezoelektricitet og pyroelektricitet gør ferroelektriske kondensatorer meget nyttige, f.eks. Til sensorapplikationer. Ferroelektriske kondensatorer bruges i medicinske ultralydsmaskiner (kondensatorerne genererer og lytter derefter til ultralyds -pingen, der bruges til at afbilde de indre organer i et legeme), infrarøde kameraer af høj kvalitet (det infrarøde billede projiceres på et todimensionalt array af ferroelektriske kondensatorer, der kan detektering af temperaturforskelle så små som milliontedele af grader Celsius), brandsensorer, ekkolod, vibrationssensorer og endda brændstofindsprøjtninger på dieselmotorer.

En anden idé af nyere interesse er det ferroelektriske tunnelforbindelse ( FTJ ), hvori en kontakt dannes af nanometer-tyk ferroelektrisk film placeret mellem metalelektroder. Tykkelsen af ​​det ferroelektriske lag er lille nok til at muliggøre tunneling af elektroner. De piezoelektriske og grænsefladeeffekter samt depolarisationsfeltet kan føre til en gigantisk elektroresistance (GER) switch -effekt.

Endnu en spirende applikation er multiferroics , hvor forskere leder efter måder at koble magnetisk og ferroelektrisk ordning inden for et materiale eller en heterostruktur; der er flere seneste anmeldelser om dette emne.

Katalytiske egenskaber ved ferroelektriske stoffer er blevet undersøgt siden 1952, da Parravano observerede uregelmæssigheder i CO -oxidationshastigheder over ferroelektrisk natrium- og kaliumniobater nær disse materialers Curie -temperatur . Overflade-vinkelret komponent i den ferroelektriske polarisering kan dope polarisationsafhængige ladninger på overflader af ferroelektriske materialer og ændre deres kemi. Dette åbner muligheden for at udføre katalyse ud over grænserne for Sabatier -princippet . Sabatier-princippet siger, at overflade-adsorbater-interaktionen skal være en optimal mængde: ikke for svag til at være inaktiv over for reaktanterne og ikke for stærk til at forgifte overfladen og undgå desorption af produkterne: en kompromissituation. Dette sæt af optimale interaktioner omtales normalt som "toppen af ​​vulkanen" i aktivitetsvulkanplot. På den anden side kan ferroelektrisk polarisationsafhængig kemi tilbyde muligheden for at skifte overfladen- adsorberer interaktion fra stærk adsorption til stærk desorption , hvorfor et kompromis mellem desorption og adsorption ikke længere er nødvendigt. Ferroelektrisk polarisering kan også fungere som en energi mejetærsker . Polarisering kan hjælpe adskillelsen af ​​fotogenererede elektronhulspar , hvilket fører til forbedret fotokatalyse. På grund af pyroelektriske og piezoelektriske effekter under varierende temperatur (opvarmning/køling) eller varierende belastning (vibrationer) kan ekstra ladninger forekomme på overfladen og drive forskellige (elektro) kemiske reaktioner fremad.

Materialer

De interne elektriske dipoler i et ferroelektrisk materiale er koblet til materialets gitter, så alt, hvad der ændrer gitteret, vil ændre dipolernes styrke (med andre ord en ændring i den spontane polarisering). Ændringen i den spontane polarisering resulterer i en ændring i overfladeladningen. Dette kan forårsage strømstrøm i tilfælde af en ferroelektrisk kondensator, selv uden tilstedeværelse af en ekstern spænding over kondensatoren. To stimuli, der vil ændre materialets gitterdimensioner, er kraft og temperatur. Generering af en overfladeladning som reaktion på påføring af en ekstern spænding på et materiale kaldes piezoelektricitet . En ændring i den spontane polarisering af et materiale som reaktion på en temperaturændring kaldes pyroelektricitet .

Generelt er der 230 rumgrupper, blandt hvilke 32 krystallinske klasser kan findes i krystaller. Der er 21 ikke-centrosymmetriske klasser, inden for hvilke 20 er piezoelektriske . Blandt de piezoelektriske klasser har 10 en spontan elektrisk polarisering, der varierer med temperaturen, derfor er de pyroelektriske . Blandt pyroelektriske materialer er nogle af dem ferroelektriske.

32 krystallinske klasser
21 noncentrosymmetrisk				11 centrosymmetrisk
20 klasser piezoelektriske				ikke piezoelektrisk
10 klasser pyroelektriske		ikke pyroelektrisk
ferroelektrisk	ikke ferroelektrisk
f.eks: PbZr / TiO 3 , BaTiO 3 , PbTiO 3	f.eks .: Turmalin , ZnO , AlN	fx: Kvarts , Langasit

Ferroelektriske faseovergange karakteriseres ofte som enten forskydende (f.eks. BaTiO ₃ ) eller orden-forstyrrelse (f.eks. NaNO ₂ ), selvom faseovergange ofte viser elementer af begge adfærd. I bariumtitanat , et typisk ferroelektrisk af forskydningstypen, kan overgangen forstås i form af en polarisationskatastrofe , hvori hvis en ion forskydes en smule fra ligevægten, kraften fra de lokale elektriske felter på grund af ionerne i krystallen stiger hurtigere end de elastisk genoprettende kræfter . Dette fører til et asymmetrisk skift i ligevægtsionpositionerne og dermed til et permanent dipolmoment. Den ioniske forskydning i bariumtitanat vedrører titaniumionens relative position i oxygenoktaedriske bur. I blytitanat er et andet vigtigt ferroelektrisk materiale, selvom strukturen ligner meget bariumtitanat, drivkraften for ferroelektricitet er mere kompleks, idet interaktioner mellem bly- og iltionerne også spiller en vigtig rolle. I en ferroelektrisk ordensforstyrrelse er der et dipolmoment i hver enhedscelle, men ved høje temperaturer peger de i tilfældige retninger. Ved sænkning af temperaturen og gennemgang af faseovergangen bestiller dipolerne alle i samme retning inden for et domæne.

Et vigtigt ferroelektrisk materiale til applikationer er blyzirconattitanat (PZT), som er en del af den faste opløsning dannet mellem ferroelektrisk blytitanat og anti-ferroelektrisk blyzirkonat. Forskellige sammensætninger bruges til forskellige anvendelser; til hukommelsesapplikationer foretrækkes PZT tættere i sammensætning på blytitanat, hvorimod piezoelektriske applikationer gør brug af de divergerende piezoelektriske koefficienter forbundet med den morfotropiske fasegrænse, der findes tæt på 50/50 sammensætningen.

Ferroelektriske krystaller viser ofte flere overgangstemperaturer og domæne struktur hysterese , ligesom ferromagnetiske krystaller. Faseovergangens beskaffenhed i nogle ferroelektriske krystaller er stadig ikke godt forstået.

I 1974 brugte RB Meyer symmetri-argumenter til at forudsige ferroelektriske flydende krystaller , og forudsigelsen kunne straks verificeres ved flere observationer af adfærd forbundet med ferroelektricitet i smektiske flydende krystalfaser, der er chirale og vippede. Teknologien tillader opbygning af fladskærmsskærme. Masseproduktion mellem 1994 og 1999 blev udført af Canon. Ferroelektriske flydende krystaller bruges til fremstilling af reflekterende LCoS .

I 2010 fandt David Field ud af , at prosaiske film af kemikalier såsom lattergas eller propan udviste ferroelektriske egenskaber. Denne nye klasse af ferroelektriske materialer udviser " spontelektriske " egenskaber og kan have vidtrækkende anvendelser inden for udstyr og nanoteknologi og også påvirke støvets elektriske natur i det interstellare medium.

Andre anvendte ferroelektriske materialer omfatter triglycin -sulfat , polyvinylidenfluorid (PVDF) og lithiumtantalat .

Det bør være muligt at producere materialer, der kombinerer både ferroelektriske og metalliske egenskaber samtidigt ved stuetemperatur. Ifølge forskning, der blev offentliggjort i 2018 i Nature Communications , var forskere i stand til at producere et "todimensionalt" arkark, der både var "ferroelektrisk" (havde en polar krystalstruktur), og som ledte elektricitet.

Teori

En introduktion til Landau -teorien findes her. Baseret på Ginzburg-Landau teori , den frie energi af et ferroelektrisk materiale, i fravær af et elektrisk felt og anvendt stress kan skrives som en Taylor-udvikling med hensyn til ordensparameter, P . Hvis der bruges en sjette ordens ekspansion (dvs. 8. orden og højere udtryk afkortet), gives den frie energi ved:

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

hvor P _x , P _y og P _z er komponenterne i polarisationsvektoren i henholdsvis x- , y- og z -retningerne og koefficienterne, skal være i overensstemmelse med krystal -symmetrien. For at undersøge domænedannelse og andre fænomener i ferroelektriske data bruges disse ligninger ofte i forbindelse med en fasefeltmodel . Typisk indebærer dette at tilføje et gradientbegreb, et elektrostatisk udtryk og et elastisk udtryk til den frie energi. Ligningerne diskretiseres derefter på et gitter ved hjælp af metoden med begrænset forskel eller endelig element og løses underlagt begrænsningerne i Gauss lov og lineær elasticitet . ${\ displaystyle \ alpha _ {i}, \ alpha _ {ij}, \ alpha _ {ijk}}$

I alle kendte ferroelektriske, og . Disse koefficienter kan opnås eksperimentelt eller fra ab-initio-simuleringer. For ferroelektriske forbindelser med en førsteordens faseovergang , hvorimod for en andenordens faseovergang. ${\ displaystyle \ alpha _ {0}> 0}$${\ displaystyle \ alpha _ {111}> 0}$${\ displaystyle \ alpha _ {11} <0}$${\ displaystyle \ alpha _ {11}> 0}$

Den spontane polarisering , P _s af en ferroelektrisk for en kubisk til tetragonal faseovergang kan opnås ved at overveje 1D -ekspressionen af ​​den frie energi, som er:

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

Denne frie energi har form som et dobbelt brøndspotentiale med to frie energiminima ved , den spontane polarisering. Vi finder den afledte af den frie energi og sætter den lig med nul for at løse for : ${\ displaystyle P_ {x} = P_ {s}}$${\ displaystyle P_ {s}}$

${\ displaystyle {\ frac {\ delvis \ Delta E} {\ delvis P_ {x}}} = \ alfa _ {0} \ venstre (T-T_ {0} \ højre) P_ {x}+\ alpha _ { 11} P_ {x}^{3}+\ alpha _ {111} P_ {x}^{5}}$

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

Da P _s = 0 opløsning af denne ligning snarere svarer til en fri energi maksima i den ferroelektriske fase, de ønskede løsninger til P _s svarer til indstilling af resterende faktor til nul:

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

hvis løsning er:

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

og eliminering af løsninger, der tager kvadratroden af ​​et negativt tal (for enten fase- eller andenordens faseovergange) giver:

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

Hvis , løsningen til den spontane polarisering reduceres til: ${\ displaystyle \ alpha _ {11} = 0}$

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

Hysteresesløjfen (P _x versus E _x ) kan opnås fra den frie energiudvidelse ved at inkludere udtrykket -E _x P _x svarende til energien på grund af et eksternt elektrisk felt E _{x, der} interagerer med polarisationen P _x , som følger:

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

Vi finder den stabile polarisering værdier af P _x under indflydelse af det eksterne felt , nu betegnet som P _e , igen ved at sætte den afledede af den energi med hensyn til P _x til nul:

${\ displaystyle {\ frac {\ delvis \ Delta E} {\ delvis P_ {x}}} = \ alfa _ {0} \ venstre (T-T_ {0} \ højre) P_ {x}+\ alpha _ { 11} P_ {x}^{3}+\ alfa _ {111} P_ {x}^{5} -E_ {x} = 0}$

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

Plotering af E _x (på X-aksen) som en funktion af P _e (men på Y-aksen) giver en 'S'-formet kurve, som er flerværdi i P _e for nogle værdier af E _x . Den centrale del af 'S' svarer til et lokalt maksimum for gratis energi (siden ). Eliminering af dette område og forbindelse af de øverste og nederste dele af 'S' -kurven ved lodrette linjer ved diskontinuiteterne giver hysteresesløjfen for intern polarisering på grund af et eksternt elektrisk felt. ${\ displaystyle {\ frac {\ partiel ^{2} \ Delta E} {\ delvis P_ {x} ^{2}}} <0}$

Se også

Referencer

Yderligere læsning

• AS Sidorkin (2006). Domænestruktur i ferroelektri og beslægtede materialer . Cambridge University Press. ISBN 978-1-904602-14-9.
• Karin M Rabe ; Jean-Marc Triscone; Charles H Ahn (2007). Ferroelektrisk fysik: Et moderne perspektiv . Springer. ISBN 978-3-540-34591-6.
• Julio A. Gonzalo (2006). Effektiv feltmetode til faseovergange og nogle applikationer til ferroelektrisk . World Scientific. ISBN 978-981-256-875-5.

eksterne links

• Ferroelektriske materialer ved University of Cambridge