Ferroelektrik adalah Konsep, definisi, sifat dan aplikasi

2024 Pengarang: Angel Austin | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-17 05:30

Ferroelektrik adalah elemen dengan polarisasi listrik spontan (SEP). Inisiator pembalikannya dapat berupa aplikasi rentang listrik E dengan parameter dan vektor arah yang sesuai. Proses ini disebut repolarisasi. Itu pasti disertai dengan histeresis.

Fitur umum

Feroelektrik adalah komponen yang memiliki:

1. Perizinan kolosal.
2. Modul piezo yang kuat.
3. Loop.

Penggunaan feroelektrik dilakukan di banyak industri. Berikut beberapa contohnya:

1. Teknik radio.
2. Elektronik kuantum.
3. Teknologi pengukuran.
4. Akustik listrik.

Feroelektrik adalah benda padat yang bukan logam. Studi mereka paling efektif ketika keadaan mereka adalah kristal tunggal.

Spesifikasi cerah

Hanya ada tiga elemen ini:

1. Polarisasi reversibel.
2. Nonlinier.
3. Karakteristik anomali.

Banyak feroelektrik berhenti menjadi feroelektrik ketika mereka masukkondisi transisi suhu. Parameter seperti itu disebut T_K. Zat berperilaku tidak normal. Konstanta dielektriknya berkembang pesat dan mencapai tingkat padat.

Klasifikasi

Dia cukup kompleks. Biasanya aspek utamanya adalah desain elemen dan teknologi pembentukan SEP yang bersentuhan dengannya selama perubahan fase. Di sini ada pembagian menjadi dua jenis:

1. Memiliki offset. Ion-ionnya bergeser selama pergerakan fase.
2. Ketertiban adalah kekacauan. Dalam kondisi yang sama, dipol fase awal dipesan di dalamnya.

Spesies ini juga memiliki subspesies. Misalnya, komponen bias terbagi dalam dua kategori: perovskit dan pseudo-ilmenit.

Tipe kedua memiliki pembagian menjadi tiga kelas:

1. Potassium dihydrogen phosphates (KDR) dan logam alkali (misalnya KH₂AsO₄ dan KH_{2 PO}4 _).
2. Triglisin sulfat (THS): (NH₂CH₂COOH₃)× H ₂SO_4.
3. Komponen kristal cair

Perovskit

Elemen ini ada dalam dua format:

1. Monokristalin.
2. Keramik.

Mereka mengandung oktahedron oksigen, yang mengandung ion Ti dengan valensi 4-5.

Ketika tahap paraelektrik terjadi, kristal memperoleh struktur kubik. Ion seperti Ba dan Cd terkonsentrasi di bagian atas. Dan rekan oksigen mereka diposisikan di tengah wajah. Ini adalah bagaimana itu terbentuksegi delapan.

Ketika ion titanium berubah di sini, SEP dilakukan. Ferroelektrik semacam itu dapat membuat campuran padat dengan formasi struktur serupa. Misalnya, PbTiO₃-PbZrO₃ . Ini menghasilkan keramik dengan karakteristik yang sesuai untuk perangkat seperti variconda, aktuator piezo, posistor, dll.

Pseudo-ilmenites

Mereka berbeda dalam konfigurasi rombohedral. Spesifisitas cerah mereka adalah indikator suhu Curie yang tinggi.

Mereka juga kristal. Sebagai aturan, mereka digunakan dalam mekanisme akustik pada gelombang besar atas. Perangkat berikut dicirikan oleh kehadirannya:

- resonator;

- filter dengan garis;

- modulator akustik-optik frekuensi tinggi;

- penerima pyro.

Mereka juga diperkenalkan ke perangkat elektronik dan optik non-linear.

KDR dan TGS

Ferroelektrik dari kelas yang ditunjuk pertama memiliki struktur yang mengatur proton dalam kontak hidrogen. SEP terjadi ketika semua proton berurutan.

Elemen dari kategori ini digunakan dalam perangkat optik non-linear dan optik listrik.

Dalam feroelektrik kategori kedua, urutan proton sama, hanya dipol yang terbentuk di dekat molekul glisin.

Komponen grup ini digunakan sampai batas tertentu. Biasanya berisi penerima pyro.

Tampilan kristal cair

Mereka dicirikan oleh adanya molekul polar yang tersusun secara berurutan. Di sini, spesifikasi utama feroelektrik ditunjukkan dengan jelas.

Kualitas optiknya dipengaruhi oleh suhu dan vektor spektrum listrik luar.

Berdasarkan faktor-faktor tersebut, penggunaan feroelektrik jenis ini diterapkan pada sensor optik, monitor, spanduk, dll.

Perbedaan antara kedua kelas

Ferroelektrik adalah formasi dengan ion atau dipol. Mereka memiliki perbedaan yang signifikan dalam sifat mereka. Jadi, komponen pertama tidak larut dalam air sama sekali, tetapi memiliki kekuatan mekanik yang kuat. Mereka mudah dibentuk dalam format polikristal asalkan sistem keramik dioperasikan.

Yang terakhir mudah larut dalam air dan memiliki kekuatan yang dapat diabaikan. Mereka memungkinkan pembentukan kristal tunggal parameter padat dari komposisi berair.

Domain

Sebagian besar karakteristik feroelektrik bergantung pada domain. Dengan demikian, parameter arus pensaklaran terkait erat dengan perilakunya. Mereka ditemukan baik dalam kristal tunggal maupun keramik.

Struktur domain feroelektrik adalah sektor dimensi makroskopik. Di dalamnya, vektor polarisasi sewenang-wenang tidak memiliki perbedaan. Dan hanya ada perbedaan dari vektor serupa di sektor tetangga.

Domain memisahkan dinding yang dapat bergerak di ruang internal kristal tunggal. Dalam hal ini terjadi peningkatan pada beberapa domain dan penurunan pada domain lainnya. Ketika ada repolarisasi, sektor berkembang karena perpindahan dinding atau proses serupa.

Sifat listrik feroelektrik,yang merupakan kristal tunggal, dibentuk berdasarkan simetri kisi kristal.

Struktur energi yang paling menguntungkan dicirikan oleh fakta bahwa batas domain di dalamnya netral secara elektrik. Dengan demikian, vektor polarisasi diproyeksikan ke batas domain tertentu dan sama dengan panjangnya. Pada saat yang sama, itu berlawanan arah dengan vektor identik dari sisi domain terdekat.

Akibatnya, parameter listrik dari domain dibentuk berdasarkan skema kepala-ekor. Nilai linier domain ditentukan. Mereka berada di kisaran 10^-4-10^-1 lihat

Polarisasi

Karena medan listrik eksternal, vektor aksi listrik domain berubah. Dengan demikian, polarisasi feroelektrik yang kuat muncul. Akibatnya, konstanta dielektrik mencapai nilai yang sangat besar.

Polarisasi domain dijelaskan oleh asal dan perkembangannya karena pergeseran batasnya.

Struktur feroelektrik yang ditunjukkan menyebabkan ketergantungan tidak langsung dari induksinya pada tingkat tegangan medan eksternal. Ketika lemah, hubungan antar sektor bersifat linier. Sebuah bagian muncul di mana batas domain digeser menurut prinsip reversibel.

Di zona medan kuat, proses seperti itu tidak dapat diubah. Pada saat yang sama, sektor-sektor di mana vektor SEP membentuk sudut minimum dengan vektor medan tumbuh. Dan pada tegangan tertentu, semua domain berbaris persis di sepanjang bidang. Kejenuhan teknis sedang terbentuk.

Dalam kondisi seperti itu, ketika tegangan dikurangi menjadi nol, tidak ada pembalikan induksi yang serupa. Dia adalahmendapatkan sisa D_r. Jika dipengaruhi oleh medan dengan muatan yang berlawanan, ia akan dengan cepat mengecil dan mengubah vektornya.

Perkembangan ketegangan selanjutnya kembali mengarah pada kejenuhan teknis. Dengan demikian, ketergantungan feroelektrik pada pembalikan polarisasi dalam berbagai spektrum dilambangkan. Sejalan dengan proses ini, histeresis terjadi.

Intensitas rentang E_r, di mana induksi mengikuti nilai nol, adalah gaya koersif.

Proses histeresis

Dengan itu, batas domain digeser secara permanen di bawah pengaruh medan. Artinya adanya rugi-rugi dielektrik akibat biaya energi untuk penataan domain.

Sebuah loop histeresis terbentuk di sini.

Luasnya sesuai dengan energi yang dikeluarkan dalam feroelektrik dalam satu siklus. Karena kerugian, garis singgung sudut 0, 1 terbentuk di dalamnya.

Loop histeresis dibuat pada nilai amplitudo yang berbeda. Bersama-sama, puncaknya membentuk kurva polarisasi utama.

Operasi pengukuran

Konstanta dielektrik feroelektrik hampir semua kelas berbeda dalam nilai solid bahkan pada nilai yang jauh dari T_K.

Pengukurannya adalah sebagai berikut: dua elektroda diterapkan pada kristal. Kapasitasnya ditentukan dalam rentang variabel.

Di atasindikator T_K permeabilitas memiliki ketergantungan termal tertentu. Ini dapat dihitung berdasarkan hukum Curie-Weiss. Rumus berikut berfungsi di sini:

e=4pC / (T-Tc).

Di dalamnya, C adalah konstanta Curie. Di bawah nilai transisi, turun dengan cepat.

Huruf "e" dalam rumus berarti non-linier, yang ada di sini dalam spektrum yang cukup sempit dengan tegangan yang berubah. Karena itu dan histeresis, permeabilitas dan volume feroelektrik tergantung pada mode operasi.

Jenis permeabilitas

Materi dalam kondisi operasi yang berbeda dari komponen non-linier mengubah kualitasnya. Jenis permeabilitas berikut digunakan untuk mengkarakterisasinya:

1. Statistik (e_st). Untuk menghitungnya, digunakan kurva polarisasi utama: e_st =D / (e₀E)=1 + P / (e 0_{E) » P / (e}0_E).
2. Terbalik (e_p). Menunjukkan perubahan polarisasi feroelektrik dalam rentang variabel di bawah pengaruh paralel medan stabil.
3. Efektif (e_ef). Dihitung dari arus I aktual (menyiratkan tipe non-sinusoidal) yang dihubungkan dengan komponen non-linier. Dalam hal ini, ada tegangan aktif U dan frekuensi sudut w. Rumusnya bekerja: e_ef ~ C_ef =I / (wU).
4. Awal. Itu ditentukan dalam spektrum yang sangat lemah.

Dua jenis utama piroelektrik

Ini adalah feroelektrik dan antiferroelektrik. Mereka punyaada sektor BOT - domain.

Dalam bentuk pertama, satu domain membentuk bola depolarisasi di sekelilingnya.

Ketika banyak domain dibuat, itu berkurang. Energi depolarisasi juga berkurang, tetapi energi dinding sektor meningkat. Proses selesai ketika indikator-indikator ini berada dalam urutan yang sama.

Bagaimana perilaku HSE ketika ferroelektrik berada di luar, telah dijelaskan di atas.

Antiferroelectrics - asimilasi setidaknya dua sublattices ditempatkan di dalam satu sama lain. Di masing-masing, arah faktor dipol sejajar. Dan indeks dipol umum mereka adalah 0.

Dalam spektrum lemah, antiferroelektrik dibedakan oleh jenis polarisasi linier. Tetapi ketika kekuatan medan meningkat, mereka dapat memperoleh kondisi feroelektrik. Parameter bidang berkembang dari 0 ke E_1. Polarisasi tumbuh secara linier. Pada gerakan sebaliknya, dia sudah bergerak menjauh dari lapangan - sebuah loop diperoleh.

Ketika kekuatan rentang E_{2 terbentuk,} ferroelektrik diubah menjadi antipodenya.

Saat mengubah vektor medan E, situasinya sama. Ini berarti kurvanya simetris.

Antiferroelektrik, melebihi tanda Curie, memperoleh kondisi paraelektrik.

Dengan pendekatan yang lebih rendah ke titik ini, permeabilitas mencapai maksimum tertentu. Di atasnya, bervariasi menurut rumus Curie-Weiss. Namun, parameter permeabilitas absolut pada titik yang ditunjukkan lebih rendah daripada parameter feroelektrik.

Dalam banyak kasus, antiferroelektrik memilikistruktur kristal mirip dengan antipoda mereka. Dalam situasi yang jarang terjadi dan dengan senyawa yang identik, tetapi pada suhu yang berbeda, fase kedua piroelektrik muncul.

Antiferroelektrik yang paling terkenal adalah NaNbO_3, NH₄H₂P0 4 _{dll. Jumlahnya lebih rendah dari jumlah feroelektrik biasa.}