Feroelektřina - Ferroelectricity

Feroelektřina je charakteristická pro určité materiály, které mají spontánní elektrickou polarizaci, kterou lze zvrátit aplikací vnějšího elektrického pole. Všechna feroelektrika jsou pyroelektrická s další vlastností, že jejich přirozená elektrická polarizace je reverzibilní. Termín se používá analogicky k feromagnetismu , ve kterém materiál vykazuje trvalý magnetický moment . Feromagnetismus byl znám již tehdy, když byla v roce 1920 objevena feroelektřina v Rochellově soli Valaskem. K popisu vlastnosti byla tedy použita předpona ferro , což znamená železo, a to navzdory skutečnosti, že většina feroelektrických materiálů železo neobsahuje. Materiály, které jsou jak feroelektrické, tak feromagnetické, se nazývají multiferroické .

Polarizace

Když je většina materiálů elektricky polarizována , indukovaná polarizace, P , je téměř přesně úměrná aplikovanému vnějšímu elektrickému poli E ; takže polarizace je lineární funkce. Toto se nazývá lineární dielektrická polarizace (viz obrázek). Některé materiály, známé jako paraelektrické materiály, vykazují vylepšenou nelineární polarizaci (viz obrázek). Elektrická permitivita , odpovídající sklonu polarizační křivky, není konstantní jako u lineárních dielektrik, ale je funkcí vnějšího elektrického pole.

Kromě toho, že jsou feroelektrické materiály nelineární, vykazují spontánní nenulovou polarizaci (po strhávání , viz obrázek), i když je aplikované pole E nulové. Charakteristickým rysem feroelektriky je, že spontánní polarizaci lze zvrátit vhodně silným aplikovaným elektrickým polem v opačném směru; polarizace je tedy závislá nejen na aktuálním elektrickém poli, ale také na jeho historii, čímž vzniká hysterezní smyčka. Analogicky k feromagnetickým materiálům se nazývají feroelektrika , která mají spontánní magnetizaci a vykazují podobné smyčky hystereze.

Materiály obvykle vykazují feroelektricitu pouze pod určitou teplotou fázového přechodu, nazývanou Curieova teplota ( T _C ), a jsou nad touto teplotou paraelektrické: spontánní polarizace zmizí a feroelektrický krystal se transformuje do paraelektrického stavu. Mnoho feroelektrik zcela ztrácí své pyroelektrické vlastnosti nad T _C , protože jejich paraelektrická fáze má centrosymetrickou krystalovou strukturu.

Aplikace

Nelineární povahu feroelektrických materiálů lze použít k výrobě kondenzátorů s nastavitelnou kapacitou. Feroelektrický kondenzátor se obvykle jednoduše skládá z dvojice elektrod, které obklopují vrstvu feroelektrického materiálu. Permitivita feroelektrika je nejen nastavitelná, ale obvykle také velmi vysoká, zvláště když je blízko teplotě fázového přechodu. Z tohoto důvodu jsou feroelektrické kondenzátory ve fyzické velikosti malé ve srovnání s dielektrickými (neladitelnými) kondenzátory podobné kapacity.

Spontánní polarizace feroelektrických materiálů předpokládá hysterezní efekt, který lze použít jako paměťovou funkci, a feroelektrické kondenzátory se skutečně používají k výrobě feroelektrické paměti RAM pro počítače a karty RFID . V těchto aplikacích se obvykle používají tenké filmy z feroelektrických materiálů, protože to umožňuje dosáhnout pole požadovaného pro přepnutí polarizace mírným napětím. Při používání tenkých filmů je však třeba věnovat velkou pozornost rozhraním, elektrodám a kvalitě vzorků, aby zařízení fungovala spolehlivě.

Feroelektrické materiály vyžadují, aby symetrie byla také piezoelektrická a pyroelektrická. Díky kombinovaným vlastnostem paměti, piezoelektřiny a pyroelektřiny jsou feroelektrické kondenzátory velmi užitečné, např. Pro senzorové aplikace. Ferroelektrické kondenzátory se používají v lékařských ultrazvukových přístrojích (kondenzátory generují a poté poslouchají ultrazvukové pingy používané k zobrazení vnitřních orgánů těla), vysoce kvalitní infračervené kamery (infračervený obraz je promítán na dvourozměrné pole feroelektrických kondenzátorů schopných detekce teplotních rozdílů až miliontin stupně Celsia), požárních senzorů, sonarů, snímačů vibrací a dokonce i vstřikovačů paliva u vznětových motorů.

Další myšlenkou nedávného zájmu je feroelektrický tunel ( FTJ ), ve kterém je kontakt tvořen nanometrovou feroelektrickou fólií umístěnou mezi kovovými elektrodami. Tloušťka feroelektrické vrstvy je dostatečně malá, aby umožnila tunelování elektronů. Piezoelektrické efekty a efekty rozhraní, stejně jako depolarizační pole, mohou vést k efektu přepínání obří elektroresistence (GER).

Ještě další rozvíjející se aplikací je multiferroika , kde výzkumníci hledají způsoby, jak spojit magnetické a feroelektrické uspořádání v materiálu nebo heterostruktuře; na toto téma existuje několik nedávných recenzí.

Katalytické vlastnosti feroelektrik byly studovány od roku 1952, kdy Parravano pozoroval anomálie v rychlostech oxidace CO nad feroelektrickými niobáty sodíku a draslíku poblíž Curieovy teploty těchto materiálů. Povrchově kolmá složka feroelektrické polarizace může na povrchu feroelektrických materiálů dopovat náboje závislé na polarizaci a měnit jejich chemii. To otevírá možnost provádění katalýzy za hranicemi Sabatierova principu . Sabatierův princip uvádí, že interakce povrch-adsorbáty musí být optimální: ne příliš slabá, aby byla inertní vůči reaktantům, a ne příliš silná, aby otrávila povrch a zabránila desorpci produktů: kompromisní situace. Tento soubor optimálních interakcí je obvykle označován jako „vrchol sopky“ na grafech aktivitních vulkánů. Na druhé straně feroelektrická chemie závislá na polarizaci může nabídnout možnost přepnutí interakce povrch-adsorbuje ze silné adsorpce na silnou desorpci , takže kompromis mezi desorpcí a adsorpcí již není zapotřebí. Feroelektrická polarizace může také fungovat jako energetický kombajn . Polarizace může pomoci oddělit dvojice foto generovaných elektronů a děr , což povede k lepší fotokatalýze. Také kvůli pyroelektrickým a piezoelektrickým účinkům za měnících se teplot (cyklů ohřevu/chlazení) nebo měnících se podmínek napětí (vibrací) se mohou na povrchu objevit další náboje a pohánět různé (elektro) chemické reakce vpřed.

Materiály

Vnitřní elektrické dipóly feroelektrického materiálu jsou spojeny s hmotnou mřížkou, takže vše, co mění mřížku, změní sílu dipólů (jinými slovy změna spontánní polarizace). Změna spontánní polarizace má za následek změnu povrchového náboje. To může způsobit tok proudu v případě feroelektrického kondenzátoru i bez přítomnosti externího napětí přes kondenzátor. Dva podněty, které změní rozměry mřížky materiálu, jsou síla a teplota. Generování povrchového náboje v reakci na aplikaci vnějšího napětí na materiál se nazývá piezoelektřina . Změna spontánní polarizace materiálu v reakci na změnu teploty se nazývá pyroelektřina .

Obecně existuje 230 vesmírných skupin, z nichž 32 krystalických tříd lze nalézt v krystalech. Existuje 21 necentrosymetrických tříd, z nichž 20 je piezoelektrických . Mezi piezoelektrickými třídami má 10 spontánní elektrickou polarizaci, která se mění s teplotou, proto jsou pyroelektrická . Mezi pyroelektrickými materiály jsou některé feroelektrické.

32 krystalických tříd
21 necentrosymetrických				11 centrosymetrických
20 tříd piezoelektrických				ne piezoelektrický
10 tříd pyroelektrických		nepyroelektrický
feroelektrický	neferoelektrický
např .: PbZr/TiO 3 , BaTiO 3 , PbTiO 3	např .: Tourmaline , ZnO , AlN	např .: Quartz , Langasite

Feroelektrické fázové přechody jsou často charakterizovány buď jako vytěsňovací (jako je BaTiO ₃ ) nebo jako řádová porucha (jako NaNO ₂ ), i když často fázové přechody budou demonstrovat prvky obou chování. U titaničitanu barnatého , typického feroelektrika posuvného typu, lze přechod chápat jako polarizační katastrofu , ve které, pokud je iont z rovnováhy mírně přemístěn, síla z místních elektrických polí v důsledku iontů v krystalu roste rychleji než síly obnovující pružnost . To vede k asymetrickému posunu v rovnovážných polohách iontů a tím k trvalému dipólovému momentu. Iontový posun v titaničitanu barnatém se týká relativní polohy titanového iontu v kyslíkové oktaedrické kleci. V titaničitanu olovnatém , dalším klíčovém feroelektrickém materiálu, ačkoli struktura je spíše podobná titaničitanu barnatému, hnací síla pro feroelektřinu je složitější, přičemž interakce mezi olověnými a kyslíkovými ionty také hraje důležitou roli. Ve feroelektriku s poruchou řádu je v každé jednotkové buňce dipólový moment, ale při vysokých teplotách směřují v náhodných směrech. Po snížení teploty a procházení fázovým přechodem se dipóly uspořádají a všechny směřují stejným směrem v rámci domény.

Důležitým feroelektrickým materiálem pro aplikace je titaničitan zirkoničitan olovnatý (PZT), který je součástí pevného roztoku vytvořeného mezi feroelektrickým titaničitanem olovnatým a antiferoelektrickým zirkonátem olovnatým. Pro různé aplikace se používají různé kompozice; pro paměťové aplikace se dává přednost složení PZT blíže titanátu olovnatému, zatímco piezoelektrické aplikace využívají rozbíhavé piezoelektrické koeficienty spojené s hranicí morfotropní fáze, která se nachází blízko složení 50/50.

Ferroelektrické krystaly často vykazují několik přechodových teplot a hysterezi struktury domény , stejně jako feromagnetické krystaly. Povaha fázového přechodu v některých feroelektrických krystalech stále není dobře pochopena.

V roce 1974 RB Meyer použil k predikci feroelektrických kapalných krystalů argumenty symetrie a predikci bylo možné okamžitě ověřit několika pozorováními chování spojenými s feroelektricitou ve smektických fázích tekutých krystalů, které jsou chirální a nakloněné. Tato technologie umožňuje stavbu plochých monitorů. Hromadnou výrobu v letech 1994 až 1999 prováděla společnost Canon. Ferroelektrické kapalné krystaly se používají při výrobě reflexních LCoS .

V roce 2010 David Field zjistil, že prozaické filmy chemikálií, jako je oxid dusný nebo propan, vykazují feroelektrické vlastnosti. Tato nová třída feroelektrických materiálů vykazuje „ spontelektrické “ vlastnosti a může mít široké uplatnění v zařízení a nanotechnologiích a také ovlivňovat elektrickou povahu prachu v mezihvězdném prostředí.

Mezi další používané feroelektrické materiály patří triglycin sulfát , polyvinylidenfluorid (PVDF) a lithium tantalát .

Mělo by být možné vyrábět materiály, které kombinují jak feroelektrické, tak kovové vlastnosti současně, při pokojové teplotě. Podle výzkumu zveřejněného v roce 2018 v Nature Communications byli vědci schopni vyrobit „dvourozměrný“ list materiálu, který byl jak „feroelektrický“ (měl strukturu polárních krystalů), tak který vedl elektrický proud.

Teorie

Úvod do Landauovy teorie najdete zde. Na základě Ginzburg-Landau teorie , volné energie z feroelektrického materiálu, v nepřítomnosti elektrického pole a aplikovaného namáhání může být psáno jako Taylorova rozvoje , pokud jde o parametr pořadí, P . Pokud je použito rozšíření šestého řádu (tj. Zkráceno 8. řádu a vyšší termíny), je volná energie dána:

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

kde P _x , P _y a P _z jsou komponenty polarizačního vektoru ve směrech x , y a z, respektive koeficienty, musí být v souladu se symetrií krystalu. Pro zkoumání tvorby domén a dalších jevů ve feroelektrikách se tyto rovnice často používají v kontextu modelu fázového pole . Typicky to zahrnuje přidání gradientního, elektrostatického a elastického pojmu k volné energii. Rovnice jsou poté diskretizovány na mřížku pomocí metody konečných rozdílů nebo metody konečných prvků a řešeny s výhradou omezení Gaussova zákona a lineární pružnosti . ${\ Displaystyle \ alpha _ {i}, \ alpha _ {ij}, \ alpha _ {ijk}}$

Ve všech známých feroelektrikách a . Tyto koeficienty lze získat experimentálně nebo ze simulací ab-initio. Pro feroelektriku s fázovým přechodem prvního řádu , zatímco pro fázový přechod druhého řádu. ${\ displaystyle \ alpha _ {0}> 0}$${\ Displaystyle \ alpha _ {111}> 0}$${\ displaystyle \ alpha _ {11} <0}$${\ displaystyle \ alpha _ {11}> 0}$

Spontánní polarizace , P _to z feroelektrické na krychlový na tetragonální fázového přechodu se může získat s ohledem na expresi 1D volné energie, která je:

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

Tato volná energie má tvar dvojitého potenciálu studny se dvěma minimy volné energie při spontánní polarizaci. Najdeme derivaci volné energie a nastavíme ji na nulu, abychom vyřešili : ${\ displaystyle P_ {x} = P_ {s}}$${\ displaystyle P_ {s}}$

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

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

Protože řešení P _s = 0 této rovnice spíše odpovídá maximům volné energie ve feroelektrické fázi, požadovaná řešení pro P _s odpovídají nastavení zbývajícího faktoru na nulu:

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

jehož řešení je:

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

a eliminací řešení, která získají odmocninu záporného čísla (pro fázové přechody prvního nebo druhého řádu), dostaneme:

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

Pokud se řešení pro spontánní polarizaci sníží na: ${\ displaystyle \ alpha _ {11} = 0}$

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

Hysterezní smyčku (P _x versus E _x ) lze získat z expanze volné energie zahrnutím výrazu -E _x P _x odpovídající energii způsobené vnějším elektrickým polem E _x interagujícím s polarizací P _x , a to následovně:

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

Stabilní hodnoty polarizace P _x nacházíme pod vlivem vnějšího pole , nyní označovaného jako P _e , opět nastavením derivace energie vzhledem k P _x na nulu:

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

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

Vykreslení E _x (na ose X) jako funkce P _e (ale na ose Y) poskytne křivku ve tvaru „S“, která je pro některé hodnoty E _x v P _e vícehodnotová . Centrální část 'S' odpovídá místnímu maximu volné energie (od ). Eliminace této oblasti a spojení horní a dolní části křivky 'S' svislými čarami na diskontinuitách dává hysterezní smyčku vnitřní polarizace v důsledku vnějšího elektrického pole. ${\ Displaystyle {\ frac {\ částečná ^{2} \ Delta E} {\ částečná P_ {x} ^{2}}} <0}$

Viz také

Reference

Další čtení

• AS Sidorkin (2006). Struktura domény ve feroelektrice a souvisejících materiálech . Cambridge University Press. ISBN 978-1-904602-14-9.
• Karin M Rabe ; Jean-Marc Triscone; Charles H Ahn (2007). Fyzika feroelektriky: moderní perspektiva . Springer. ISBN 978-3-540-34591-6.
• Julio A. Gonzalo (2006). Efektivní terénní přístup k fázovým přechodům a některé aplikace pro feroelektriku . World Scientific. ISBN 978-981-256-875-5.

externí odkazy

• Feroelektrické materiály na University of Cambridge