Feroelektrik ialah Konsep, definisi, sifat dan aplikasi

2024 Pengarang: Angel Austin | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-17 05:36

Feroelektrik ialah unsur dengan polarisasi elektrik spontan (SEP). Pemula pembalikannya boleh menjadi aplikasi julat elektrik E dengan parameter dan vektor arah yang sesuai. Proses ini dipanggil repolarisasi. Ia semestinya disertai dengan histerisis.

Ciri biasa

Feroelektrik ialah komponen yang mempunyai:

1. Kebolehpercayaan yang besar.
2. Modul piezo yang berkuasa.
3. Gelung.

Penggunaan ferroelektrik dijalankan dalam banyak industri. Berikut ialah beberapa contoh:

1. Kejuruteraan radio.
2. Elektronik kuantum.
3. Teknologi pengukur.
4. Akustik elektrik.

Feroelektrik ialah pepejal yang bukan logam. Kajian mereka paling berkesan apabila keadaan mereka adalah kristal tunggal.

Spesifik terang

Hanya terdapat tiga elemen ini:

1. Polarisasi boleh balik.
2. Tidak linear.
3. Ciri anomali.

Banyak ferroelektrik tidak lagi menjadi ferroelektrik apabila ia berada dalamkeadaan peralihan suhu. Parameter sedemikian dipanggil T_K. Bahan berkelakuan tidak normal. Pemalar dielektrik mereka berkembang pesat dan mencapai tahap pepejal.

Klasifikasi

Dia agak rumit. Biasanya aspek utamanya ialah reka bentuk elemen dan teknologi pembentukan SEP yang bersentuhan dengannya semasa perubahan fasa. Di sini terdapat pembahagian kepada dua jenis:

1. Mempunyai offset. Ion mereka beralih semasa pergerakan fasa.
2. Pesanan adalah huru-hara. Dalam keadaan yang sama, dipol fasa awal disusun di dalamnya.

Spesies ini juga mempunyai subspesies. Contohnya, komponen berat sebelah terbahagi kepada dua kategori: perovskit dan pseudo-ilmenit.

Jenis kedua mempunyai pembahagian kepada tiga kelas:

1. Potassium dihydrogen phosphates (KDR) dan logam alkali (cth. KH₂AsO₄ dan KH_{2 PO}4 _).
2. Triglicine sulfates (THS): (NH₂CH₂COOH₃)× H ₂SO_4.
3. Komponen hablur cecair

Perovskite

Elemen ini wujud dalam dua format:

1. Monocrystalline.
2. Seramik.

Ia mengandungi oktahedron oksigen, yang mengandungi ion Ti dengan valensi 4-5.

Apabila peringkat paraelektrik berlaku, hablur memperoleh struktur padu. Ion seperti Ba dan Cd tertumpu di bahagian atas. Dan rakan oksigen mereka diletakkan di tengah-tengah muka. Ini adalah bagaimana ia terbentukoktahedron.

Apabila ion titanium bertukar di sini, SEP dilakukan. Ferroelektrik sedemikian boleh mencipta campuran pepejal dengan pembentukan struktur yang serupa. Contohnya, PbTiO₃-PbZrO₃ . Ini menghasilkan seramik dengan ciri yang sesuai untuk peranti seperti varikonda, penggerak piezo, posistor, dsb.

Pseudo-ilmenit

Ia berbeza dalam konfigurasi rombohedral. Kekhususan terangnya ialah penunjuk suhu Curie yang tinggi.

Ia juga kristal. Sebagai peraturan, ia digunakan dalam mekanisme akustik pada gelombang besar atas. Peranti berikut dicirikan oleh kehadirannya:

- resonator;

- penapis dengan jalur;

- modulator akusto-optik frekuensi tinggi;

- penerima pyro.

Ia juga diperkenalkan ke dalam peranti bukan linear elektronik dan optik.

KDR dan TGS

Feroelektrik kelas pertama yang ditetapkan mempunyai struktur yang menyusun proton dalam hubungan hidrogen. SEP berlaku apabila semua proton dalam susunan.

Elemen kategori ini digunakan dalam peranti optik bukan linear dan dalam optik elektrik.

Dalam ferroelektrik kategori kedua, proton tersusun sama, hanya dipol yang terbentuk berhampiran molekul glisin.

Komponen kumpulan ini digunakan pada tahap yang terhad. Biasanya ia mengandungi penerima pyro.

Pandangan kristal cair

Ia dicirikan oleh kehadiran molekul polar yang tersusun mengikut tertib. Di sini, spesifikasi utama ferroelektrik ditunjukkan dengan jelas.

Kualiti optiknya dipengaruhi oleh suhu dan vektor spektrum elektrik luar.

Berdasarkan faktor ini, penggunaan ferroelektrik jenis ini dilaksanakan dalam penderia optik, monitor, sepanduk, dll.

Perbezaan antara dua kelas

Feroelektrik ialah pembentukan dengan ion atau dipol. Mereka mempunyai perbezaan yang ketara dalam sifat mereka. Jadi, komponen pertama tidak larut dalam air sama sekali, tetapi mereka mempunyai kekuatan mekanikal yang kuat. Ia mudah dibentuk dalam format polihablur dengan syarat sistem seramik dikendalikan.

Yang terakhir mudah larut dalam air dan mempunyai kekuatan yang boleh diabaikan. Ia membenarkan pembentukan kristal tunggal parameter pepejal daripada komposisi akueus.

Domain

Kebanyakan ciri ferroelektrik bergantung pada domain. Oleh itu, parameter arus pensuisan berkait rapat dengan tingkah laku mereka. Ia ditemui dalam kristal tunggal dan dalam seramik.

Struktur domain ferroelektrik ialah sektor dimensi makroskopik. Di dalamnya, vektor polarisasi sewenang-wenangnya tidak mempunyai percanggahan. Dan terdapat hanya perbezaan daripada vektor serupa dalam sektor jiran.

Domain dinding berasingan yang boleh bergerak dalam ruang dalaman kristal tunggal. Dalam kes ini, terdapat peningkatan dalam beberapa dan penurunan dalam domain lain. Apabila terdapat repolarisasi, sektor berkembang disebabkan oleh anjakan dinding atau proses yang serupa.

Sifat elektrik ferroelektrik,yang merupakan kristal tunggal, terbentuk berdasarkan simetri kekisi kristal.

Struktur tenaga yang paling menguntungkan dicirikan oleh fakta bahawa sempadan domain di dalamnya adalah neutral elektrik. Oleh itu, vektor polarisasi diunjurkan ke sempadan domain tertentu dan sama dengan panjangnya. Pada masa yang sama, ia bertentangan arah dengan vektor yang sama dari sisi domain terdekat.

Akibatnya, parameter elektrik domain dibentuk berdasarkan skema kepala-ekor. Nilai linear domain ditentukan. Mereka berada dalam julat 10^-4-10^-1 lihat

Polarisasi

Disebabkan oleh medan elektrik luaran, vektor tindakan elektrik domain berubah. Oleh itu, polarisasi kuat ferroelektrik timbul. Akibatnya, pemalar dielektrik mencapai nilai yang besar.

Polarisasi domain dijelaskan oleh asal usul dan perkembangannya disebabkan oleh peralihan sempadannya.

Struktur ferroelektrik yang ditunjukkan menyebabkan pergantungan tidak langsung aruhannya pada tahap voltan medan luaran. Apabila ia lemah, hubungan antara sektor adalah linear. Bahagian muncul di mana had domain dianjakkan mengikut prinsip boleh balik.

Dalam zon medan berkuasa, proses sedemikian tidak dapat dipulihkan. Pada masa yang sama, sektor yang mana vektor SEP membentuk sudut minimum dengan vektor medan berkembang. Dan pada ketegangan tertentu, semua domain berbaris tepat di sepanjang medan. Ketepuan teknikal sedang dibentuk.

Di bawah keadaan sedemikian, apabila ketegangan dikurangkan kepada sifar, tiada pembalikan aruhan yang serupa. Diamendapat baki D_r. Jika ia dipengaruhi oleh medan dengan caj bertentangan, ia akan berkurangan dengan cepat dan menukar vektornya.

Perkembangan ketegangan seterusnya membawa kepada ketepuan teknikal. Oleh itu, pergantungan ferroelektrik pada pembalikan polarisasi dalam pelbagai spektrum ditandakan. Selari dengan proses ini, histerisis berlaku.

Keamatan julat E_r, yang mana induksi mengikut nilai sifar, ialah daya paksaan.

Proses histerisis

Dengan itu, sempadan domain dialihkan secara tidak dapat dipulihkan di bawah pengaruh medan. Ini bermakna kehadiran kehilangan dielektrik disebabkan oleh kos tenaga untuk susunan domain.

Gelung histerisis terbentuk di sini.

Luasnya sepadan dengan tenaga yang dibelanjakan dalam feroelektrik dalam satu kitaran. Disebabkan kehilangan, tangen sudut 0, 1 terbentuk di dalamnya.

Gelung histerisis dicipta pada nilai amplitud yang berbeza. Bersama-sama, puncak mereka membentuk lengkung polarisasi utama.

Operasi mengukur

Pemalar dielektrik ferroelektrik hampir semua kelas berbeza dalam nilai pepejal walaupun pada nilai jauh dari T_K.

Ukurannya adalah seperti berikut: dua elektrod digunakan pada kristal. Kapasitinya ditentukan dalam julat pembolehubah.

Di ataspenunjuk T_K kebolehtelapan mempunyai pergantungan haba tertentu. Ini boleh dikira berdasarkan undang-undang Curie-Weiss. Formula berikut berfungsi di sini:

e=4pC / (T-Tc).

Di dalamnya, C ialah pemalar Curie. Di bawah nilai peralihan, ia jatuh dengan cepat.

Huruf "e" dalam formula bermaksud bukan lineariti, yang terdapat di sini dalam spektrum yang agak sempit dengan voltan beralih. Kerana itu dan histerisis, kebolehtelapan dan isipadu feroelektrik bergantung pada mod pengendalian.

Jenis kebolehtelapan

Bahan di bawah keadaan pengendalian yang berbeza bagi komponen bukan linear mengubah kualitinya. Jenis kebolehtelapan berikut digunakan untuk mencirikannya:

1. Statistik (e_st). Untuk mengiranya, lengkung polarisasi utama digunakan: e_st =D / (e₀E)=1 + P / (e 0_{E) » P / (e}0_E).
2. Songsang (e_p). Menyatakan perubahan dalam polarisasi feroelektrik dalam julat pembolehubah di bawah pengaruh selari medan yang stabil.
3. Berkesan (e_ef). Dikira daripada arus sebenar I (menyiratkan jenis bukan sinusoidal) bersama-sama dengan komponen bukan linear. Dalam kes ini, terdapat voltan aktif U dan frekuensi sudut w. Formula berfungsi: e_ef ~ C_ef =I / (wU).
4. Awal. Ia ditentukan dalam spektrum yang sangat lemah.

Dua jenis piroelektrik utama

Ini ialah ferroelektrik dan antiferroelektrik. Mereka mempunyaiterdapat sektor BOT - domain.

Dalam bentuk pertama, satu domain membentuk sfera penyahkutuban di sekelilingnya.

Apabila banyak domain dibuat, ia berkurangan. Tenaga penyahkutuban juga berkurangan, tetapi tenaga dinding sektor meningkat. Proses selesai apabila penunjuk ini berada dalam susunan yang sama.

Apakah gelagat HSE apabila ferroelektrik berada di sfera luar, telah diterangkan di atas.

Antiferroelektrik - asimilasi sekurang-kurangnya dua sublattices diletakkan di dalam satu sama lain. Dalam setiap satu, arah faktor dipol adalah selari. Dan indeks dipol sepunya mereka ialah 0.

Dalam spektrum lemah, antiferroelektrik dibezakan dengan jenis polarisasi linear. Tetapi apabila kekuatan medan meningkat, mereka boleh memperoleh keadaan ferroelektrik. Parameter medan berkembang daripada 0 kepada E_1. Polarisasi berkembang secara linear. Pada pergerakan terbalik, dia sudah bergerak meninggalkan padang - gelung diperoleh.

Apabila kekuatan julat E_{2 terbentuk,} ferroelektrik ditukar kepada antipodnya.

Apabila menukar vektor medan E, keadaannya adalah sama. Ini bermakna lengkung adalah simetri.

Antiferroelektrik, melebihi tanda Curie, memperoleh keadaan paraelektrik.

Dengan pendekatan yang lebih rendah ke tahap ini, kebolehtelapan mencapai maksimum tertentu. Di atasnya, ia berbeza mengikut formula Curie-Weiss. Walau bagaimanapun, parameter kebolehtelapan mutlak pada titik yang dinyatakan adalah lebih rendah daripada ferroelektrik.

Dalam banyak kes, antiferroelektrik mempunyaistruktur kristal serupa dengan antipoda mereka. Dalam situasi yang jarang berlaku dan dengan sebatian yang sama, tetapi pada suhu yang berbeza, fasa kedua-dua piroelektrik muncul.

Antiferroelektrik yang paling terkenal ialah NaNbO_3, NH₄H₂P0 4 _{dsb. Bilangan mereka adalah lebih rendah daripada bilangan ferroelektrik biasa.}