Elektroelektr - Ferroelectricity - Wikipedia

Elektroelektr a bo'lgan ba'zi materiallarning o'ziga xos xususiyati o'z-o'zidan elektr polarizatsiyasi tashqi elektr maydonini qo'llash orqali qaytarilishi mumkin.^[1][2] Barcha elektroelektrlar piroelektrik, ularning tabiiy elektr polarizatsiyasi qaytariladigan qo'shimcha xususiyat bilan. Ushbu atama analogiga o'xshash tarzda ishlatiladi ferromagnetizm, unda material doimiy ravishda namoyish etiladi magnit moment. Ferromagnetizm 1920 yilda ferroelektrik kashf etilganida allaqachon ma'lum bo'lgan Rochelle tuzi Valasek tomonidan.^[3] Shunday qilib, prefiks ferro, temir degan ma'noni anglatadi, aksariyat ferroelektrik materiallar tarkibida temir yo'qligiga qaramay mulkni tavsiflash uchun ishlatilgan. Ikkala ferroelektrik bo'lgan materiallar va ferromagnit sifatida tanilgan multiferroiklar.

Polarizatsiya

Lineer dielektrik polarizatsiya

Paraelektrik qutblanish

Ferroelektrik qutblanish

Ko'pgina materiallar polarizatsiya qilinganida, polarizatsiya paydo bo'ladi, P, qo'llaniladigan tashqi elektr maydoniga deyarli mutanosib E; shuning uchun qutblanish chiziqli funktsiya. Bunga chiziqli dielektrik polarizatsiya deyiladi (rasmga qarang). Sifatida tanilgan ba'zi materiallar paraelektrik materiallar,^[4] yanada rivojlangan chiziqli bo'lmagan qutblanishni ko'rsating (rasmga qarang). Elektr o'tkazuvchanlik, qutblanish egri chizig'iga to'g'ri keladigan, chiziqli dielektriklarda bo'lgani kabi doimiy emas, balki tashqi elektr maydonining vazifasidir.

Lineer bo'lmaganligi bilan bir qatorda, ferroelektrik materiallar qo'llaniladigan maydonda ham o'z-o'zidan nolga teng bo'lmagan polarizatsiyani namoyish etadi (mashqdan keyin rasmga qarang). E nolga teng. Ferroelektriklarning ajralib turadigan xususiyati shundaki, o'z-o'zidan qutblanish bo'lishi mumkin teskari qarama-qarshi yo'nalishda mos keladigan kuchli qo'llaniladigan elektr maydon tomonidan; shuning uchun qutblanish nafaqat hozirgi elektr maydoniga, balki uning tarixiga ham bog'liq bo'lib, a hosil qiladi histerez pastadir Ular analogiga ko'ra ferroelektriklar deb ataladi ferromagnitik o'z-o'zidan paydo bo'lgan materiallar magnitlanish va shunga o'xshash histerezli ilmoqlarni namoyish eting.

Odatda, materiallar ferroelektriklikni faqat deb nomlangan fazali o'tish haroratidan pastroq darajada namoyish etadi Kyuri harorati (T_C) va bu haroratdan yuqori bo'lgan paraelektriklar: o'z-o'zidan qutblanish yo'qoladi va ferroelektrik kristal paraelektrik holatiga aylanadi. Ko'pgina ferroelektriklar Tc ustidagi piezoelektrik xususiyatlarini to'liq yo'qotadilar, chunki ularning paraelektrik fazasi sentrosimmetrik kristalli tuzilishga ega.^[5]

Ilovalar

Elektroelektrik materiallarning chiziqli bo'lmagan tabiati sozlanishi sig'imga ega kondansatörler qilish uchun ishlatilishi mumkin. Odatda, a ferroelektrik kondansatör shunchaki ferroelektrik material qatlamini sendvich qiladigan bir juft elektroddan iborat. Ferroelektriklarning o'tkazuvchanligi nafaqat sozlanishi, balki umuman mutlaq qiymati jihatidan juda yuqori, ayniqsa fazali o'tish haroratiga yaqin bo'lganda. Shu sababli, ferroelektrik kondensatorlar xuddi shunday sig'imli dielektrik (sozlanmaydigan) kondensatorlarga nisbatan fizik kattaligi jihatidan kichikdir.

Ferroelektrik materiallarning o'z-o'zidan qutblanishi a ni nazarda tutadi histerez Xotira funktsiyasi sifatida ishlatilishi mumkin bo'lgan effekt va ferroelektrik kondansatörler, albatta, foydalanish uchun ishlatiladi ferroelektrik operativ xotira^[6] kompyuterlar uchun va RFID kartalar. Ushbu dasturlarda odatda elektroelektrik materiallarning yupqa plyonkalari ishlatiladi, chunki bu polarizatsiyani almashtirish uchun zarur bo'lgan maydonni o'rtacha kuchlanish bilan ta'minlashga imkon beradi. Biroq, yupqa plyonkalardan foydalanishda qurilmalarning ishonchli ishlashi uchun interfeyslarga, elektrodlarga va namunalar sifatiga katta e'tibor berilishi kerak.^[7]

Ferroelektrik materiallar simmetriya nuqtai nazaridan piezoelektrik va pyroelektrik bo'lishi kerak. Xotiraning umumiy xususiyatlari, piezoelektrik va pyroelektrik ferroelektrik kondansatkichlarni juda foydali qilish, masalan. sensorli dasturlar uchun. Ferroelektrik kondensatorlar tibbiy ultratovush apparatlarida ishlatiladi (kondensatorlar vujudning ichki a'zolarini tasvirlash uchun ishlatiladigan ultratovush pingini ishlab chiqaradi va keyin tinglaydi), yuqori sifatli infraqizil kameralar (infraqizil tasvir ikki o'lchovli ferroelektrik kondensatorlar qatoriga prognoz qilinadi) Selsiyning milliondan bir qismigacha bo'lgan harorat farqlarini aniqlash), yong'in sezgichlari, sonar, tebranish sezgichlari va hattoki dizel dvigatellarda yonilg'i quyish moslamalari.

Yaqinda qiziqishning yana bir g'oyasi - bu ferroelektrik tunnel birikmasi (FTJ) bu erda metall elektrodlar orasiga joylashtirilgan nanometr qalin ferroelektrik plyonka bilan aloqa o'rnatiladi.^[8] Ferroelektrik qatlamning qalinligi elektronlarning tunnellanishiga imkon beradigan darajada kichikdir. Piezoelektrik va interfeys effektlari hamda depolarizatsiya maydoni ulkan elektro qarshilik (GER) almashtirish effektiga olib kelishi mumkin.

Yana bir dolzarb mavzu multiferroiklar, bu erda tadqiqotchilar material yoki heterostruktura ichida magnit va ferroelektrik buyurtmalarni birlashtirish usullarini qidirmoqdalar; ushbu mavzu bo'yicha yaqinda bir nechta sharhlar mavjud.^[9]

Katalitik 1952 yildan beri Parrovano ferroelektrik natriy va kaliy niobatlari bo'yicha CO oksidlanish darajasidagi anomaliyalarni kuzatganidan beri ferroelektriklarning xususiyatlari o'rganilmoqda. Kyuri harorati ushbu materiallardan.^[10] Ferroelektrik polarizatsiyaning sirt-perpendikulyar komponenti ferroelektrik materiallar sirtidagi polarizatsiyaga bog'liq zaryadlarni ko'paytirib, ularning kimyoviy moddalarini o'zgartirishi mumkin.^[11][12][13] Bu katalizni chegaralaridan tashqarida o'tkazish imkoniyatini ochadi Sabatier printsipi.^[14] Sabatier printsipida ta'kidlanishicha, sirt-adsorbatlar o'zaro ta'siri maqbul miqdor bo'lishi kerak: reaktivlarga nisbatan inert bo'lish uchun juda kuchsiz emas va sirtni zaharlashi va mahsulotlarning desorbsiyasini oldini olish uchun juda kuchli emas: murosaga kelgan vaziyat.^[15] Ushbu optimal o'zaro ta'sirlar to'plami odatda faol vulqon uchastkalarida "vulqon tepasi" deb nomlanadi.^[16] Boshqa tomondan, ferroelektrik polarizatsiyaga bog'liq bo'lgan kimyo sirtni almashtirish imkoniyatini taklif qilishi mumkin - kuchli ta'sirlanish ta'sirini adsorbatsiya qiladi. adsorbsiya kuchli desorbtsiya, shuning uchun desorbtsiya va adsorbsiya o'rtasida kelishuv endi kerak emas.^[14] Ferroelektrik polarizatsiya an vazifasini ham bajarishi mumkin energiya yig'ish mashinasi.^[17] Polarizatsiya fotosuratni ajratishga yordam beradi elektron teshik juftlari, rivojlangan fotokatalizga olib keladi.^[18] Bundan tashqari, tufayli piroelektrik va pyezoelektrik har xil haroratdagi effektlar (isitish / sovutish davrlari)^[19][20] yoki har xil kuchlanish (tebranish) sharoitlari^[21] qo'shimcha zaryadlar yuzasida paydo bo'lishi va har xil haydash mumkin (elektr) kimyoviy reaktsiyalar oldinga.

Materiallar

Ferroelektrik materialning ichki elektr dipollari material panjarasi bilan birlashtiriladi, shuning uchun panjarani o'zgartiradigan har qanday narsa dipollarning kuchini o'zgartiradi (boshqacha aytganda, o'z-o'zidan qutblanishning o'zgarishi). O'z-o'zidan qutblanishning o'zgarishi sirt zaryadining o'zgarishiga olib keladi. Bu ferroelektrik kondansatkichda kondansatör ustidagi tashqi kuchlanish mavjud bo'lmaganda ham oqim oqimiga olib kelishi mumkin. Materialning panjara o'lchamlarini o'zgartiradigan ikkita ogohlantiruvchi kuch va haroratdir. Materialga tashqi kuchlanish ta'siriga javoban sirt zaryadining hosil bo'lishi deyiladi piezoelektrik. Haroratning o'zgarishiga javoban materialning o'z-o'zidan qutblanishining o'zgarishi deyiladi pyroelektrik.

Odatda, 230 ta kosmik guruhlar ular orasida 32 kristalli sinflar kristallarida topish mumkin. 21 santrosimetrik bo'lmagan sinflar mavjud, ularning ichida 20 ta pyezoelektrik. Piezoelektrik sinflar orasida 10 o'z-o'zidan paydo bo'lgan elektr polarizatsiyasiga ega, bu haroratga qarab o'zgaradi, shuning uchun ular piroelektrik. Piroelektrik materiallar orasida ularning ba'zilari ferroelektrikdir.^{[iqtibos kerak ]}

Ferroelektrik fazali o'tishlar ko'pincha o'zgaruvchan (BaTiO kabi) sifatida tavsiflanadi₃) yoki buyurtma tartibsizligi (masalan, NaNO₂), lekin ko'pincha fazali o'tish ikkala xatti-harakatlarning elementlarini namoyish etadi. Yilda bariy titanat, displaciv tipdagi tipik ferroelektrik, o'tishni a nuqtai nazaridan tushunish mumkin qutblanish falokati, unda ion muvozanatdan ozgina siljigan bo'lsa, mahalliy kuch elektr maydonlari kristaldagi ionlar tufayli elastik-tiklanuvchiga qaraganda tezroq ko'payadi kuchlar. Bu muvozanat ionlari pozitsiyalarining assimetrik siljishiga va shu sababli doimiy dipol momentiga olib keladi. Bariy titanatdagi ion almashinuvi titanium ionining kislorod oktahedral katak ichidagi nisbiy holatiga taalluqlidir. Yilda qo'rg'oshin titanat, yana bir muhim ferroelektrik material, garchi bu struktura bariy titanatiga juda o'xshash bo'lsa-da, elektroelektrikning harakatlantiruvchi kuchi ancha murakkab bo'lib, qo'rg'oshin va kislorod ionlarining o'zaro ta'siri ham muhim rol o'ynaydi. Tartibsiz tartibli elektroelektrda har bir birlik hujayrasida dipol momenti mavjud, ammo yuqori haroratda ular tasodifiy yo'nalishlarga ishora qiladilar. Haroratni pasaytirganda va fazaviy o'tishda dipollar tartiblanadi, ularning barchasi domen ichida bir xil yo'nalishga ishora qiladi.

Ilovalar uchun muhim ferroelektrik material qo'rg'oshin zirkonat titanat (PZT), bu ferroelektrik qo'rg'oshin titanat va o'rtasida hosil bo'lgan qattiq eritmaning bir qismi anti-ferroelektrik qo'rg'oshin zirkonat. Turli xil dasturlar uchun turli xil kompozitsiyalar qo'llaniladi; Xotira dasturlari uchun qo'rg'oshin titanat tarkibiga yaqinroq PZTga afzallik beriladi, piezoelektrik dasturlar esa 50/50 tarkibiga yaqin bo'lgan morfotrop faza chegarasi bilan bog'liq bo'lgan piezoelektrik koeffitsientlardan foydalanadi.

Ferroelektrik kristallar ko'pincha bir nechtasini ko'rsating o'tish harorati va domen tuzilishi histerezisi, xuddi shunday ferromagnitik kristallar. Ning tabiati fazali o'tish ba'zi ferroelektrik kristallarda hali ham yaxshi tushunilmagan.

1974 yilda Meyer ferroelektrikni taxmin qilish uchun simmetriya argumentlaridan foydalangan suyuq kristallar,^[22] prognozni xiralashgan va qiyshaygan smektik suyuq kristalli fazalarda ferroelektrik bilan bog'liq bo'lgan bir nechta xatti-harakatlar bilan darhol tekshirish mumkin edi. Texnologiya tekis ekranli monitorlarni yaratishga imkon beradi. 1994-1999 yillarda ommaviy ishlab chiqarishni Canon amalga oshirdi. Ferroelektrik suyuqlik kristallari aks ettirishda ishlatiladi LCoS.

2010 yilda Devid Fild buni topdi prozaik filmlar azot oksidi yoki propan kabi kimyoviy moddalar ferroelektrik xususiyatlarini namoyish etdi.^{[iqtibos kerak ]} Ushbu yangi elektroelektrik materiallar klassi "o'z-o'zidan "xususiyatlari va qurilmalarda va nanotexnologiyalarda keng ko'lamli dasturlarga ega bo'lishi, shuningdek, yulduzlararo muhitdagi changning elektr xususiyatiga ta'sir qilishi mumkin.

Amaldagi boshqa elektroelektrik materiallar quyidagilarni o'z ichiga oladi triglitsin sulfat, poliviniliden ftorid (PVDF) va lityum tantalat.^[23]

Ferroelektrik va metall xususiyatlarini birlashtirgan materiallarni xona haroratida bir vaqtning o'zida ishlab chiqarish imkoniyati bo'lishi kerak.^[24] 2018 yilda chop etilgan tadqiqotlarga ko'ra Tabiat aloqalari,^[25] olimlar "ferroelektrik" (qutbli kristalli tuzilishga ega) va elektr tokini o'tkazadigan "ikki o'lchovli" varaq ishlab chiqarishga muvaffaq bo'lishdi.

Nazariya

Landau nazariyasi bilan tanishishni bu erda topishingiz mumkin.^[26]Asoslangan Ginzburg-Landau nazariyasi, ferroelektrik materialning erkin energiyasi, elektr maydoni va qo'llaniladigan kuchlanish bo'lmagan taqdirda a deb yozilishi mumkin Teylorning kengayishi buyurtma parametri bo'yicha, P. Agar oltinchi tartibli kengayish ishlatilsa (ya'ni 8-tartib va ​​undan yuqori atamalar qisqartirilsa), erkin energiya quyidagicha beriladi:

${ displaystyle { begin {array} {ll} Delta E = & { frac {1} {2}} alpha _ {0} left (T-T_ {0} right) left (P_ {) x} ^ {2} + P_ {y} ^ {2} + P_ {z} ^ {2} o'ng) + { frac {1} {4}} alfa _ {11} chap (P_ {x) } ^ {4} + P_ {y} ^ {4} + P_ {z} ^ {4} o'ng) & + { frac {1} {2}} alfa _ {12} chap (P_) {x} ^ {2} P_ {y} ^ {2} + P_ {y} ^ {2} P_ {z} ^ {2} + P_ {z} ^ {2} P_ {x} ^ {2} o'ngda) & + { frac {1} {6}} alfa _ {111} chap (P_ {x} ^ {6} + P_ {y} ^ {6} + P_ {z} ^ {6 } o'ng) & + { frac {1} {2}} alfa _ {112} chap [P_ {x} ^ {4} chap (P_ {y} ^ {2} + P_ {z } ^ {2} o'ng) + P_ {y} ^ {4} chap (P_ {x} ^ {2} + P_ {z} ^ {2} o'ng) + P_ {z} ^ {4} chap (P_ {x} ^ {2} + P_ {y} ^ {2} o'ng) o'ng] & + { frac {1} {2}} alfa _ {123} P_ {x} ^ {2} P_ {y} ^ {2} P_ {z} ^ {2} end {qator}}}$

qaerda P_x, P_yva P_z x, y va z yo'nalishidagi polarizatsiya vektorining tarkibiy qismlari va koeffitsientlar, ${ displaystyle alfa _ {i}, alfa _ {ij}, alfa _ {ijk}}$ kristal simmetriyasiga mos kelishi kerak. Ferroelektrikdagi domen shakllanishini va boshqa hodisalarni o'rganish uchun ushbu tenglamalar ko'pincha a tarkibida qo'llaniladi fazali maydon modeli. Odatda, bu erkin energiyaga gradient atama, elektrostatik atama va elastik atama qo'shishni o'z ichiga oladi. So'ngra tenglamalar panjara bo'yicha chekli farq usuli ning cheklovlari asosida hal qilindi Gauss qonuni va Chiziqli elastiklik.

Barcha ma'lum ferroelektriklarda, ${ displaystyle alpha _ {0}> 0}$ va ${ displaystyle alpha _ {111}> 0}$. Ushbu koeffitsientlarni eksperimental yoki ab-initio simulyatsiyalaridan olish mumkin. Birinchi darajali fazali o'tishga ega bo'lgan ferroelektriklar uchun ${ displaystyle alpha _ {11} <0}$, aksincha ${ displaystyle alpha _ {11}> 0}$ ikkinchi darajali o'zgarishlar o'tish uchun.

O'z-o'zidan qutblanish, P_s Kubikdan tetragonal fazaga o'tish uchun ferroelektrikni erkin energiyaning 1D ifodasini hisobga olgan holda olish mumkin:

${ displaystyle Delta E = { frac {1} {2}} alfa _ {0} chap (T-T_ {0} o'ng) P_ {x} ^ {2} + { frac {1} {4}} alfa _ {11} P_ {x} ^ {4} + { frac {1} {6}} alfa _ {111} P_ {x} ^ {6}}$

Ushbu erkin energiya, ikkita erkin energiya minimasi bo'lgan er-xotin quduq potentsiali shakliga ega ${ displaystyle P = pm P_ {s}}$, qayerda P_s spontan qutblanish. Ushbu ikkita minimal qiymatda erkin energiyaning hosilasi nolga teng, ya'ni:

${ displaystyle { frac { kısalt Delta E} { qisman P_ {x}}} = alfa _ {0} chap (T-T_ {0} o'ng) P_ {x} + alfa _ { 11} P_ {x} ^ {3} + alfa _ {111} P_ {x} ^ {5} = 0}$

${ displaystyle P_ {x} chap [ alfa _ {0} chap (T-T_ {0} o'ng) + alfa _ {11} P_ {x} ^ {2} + alfa _ {111} P_ {x} ^ {4} o'ng] = 0}$

Beri P_x = 0 ferroelektrik fazadagi erkin energiya maksimumiga, o'z-o'zidan qutblanishga, P_s, tenglamaning echimidan olinadi:

${ displaystyle alpha _ {0} chap (T-T_ {0} o'ng) + alfa _ {11} P_ {x} ^ {2} + alfa _ {111} P_ {x} ^ {4 } = 0}$

bu:

${ displaystyle P_ {s} ^ {2} = { frac {1} {2 alpha _ {111}}} left [- alpha _ {11} pm { sqrt { alpha _ {11} ^ {2} -4 alfa _ {0} alfa _ {111} chap (T-T_ {0} o'ng)}} o'ng]}$

va salbiy kvadrat ildiz hosil qiladigan eritmalarning yo'q qilinishi (birinchi yoki ikkinchi darajali o'zgarishlar o'tishlari uchun) quyidagilarni beradi:

${ displaystyle P_ {s} = { sqrt {{ frac {1} {2 alpha _ {111}}} left [- alpha _ {11} + { sqrt { alpha _ {11} ^ {2} -4 alfa _ {0} alfa _ {111} chap (T-T_ {0} o'ng)}} o'ng]}}}$

Agar ${ displaystyle alpha _ {11} = 0}$, yuqoridagi kabi yondashuvdan foydalanib, o'z-o'zidan qutblanishni quyidagicha olish mumkin:

${ displaystyle P_ {s} = { sqrt {- { frac { alpha _ {0} chap (T-T_ {0} o'ng)} {{alfa _ {111}}}}}}}$

Histerez tsikli (P_x E ga qarshi_x) boshqa elektrostatik atamani qo'shish orqali erkin energiya kengayishidan E olish mumkin_x P_x, quyidagicha:

${ displaystyle Delta E = { frac {1} {2}} alfa _ {0} chap (T-T_ {0} o'ng) P_ {x} ^ {2} + { frac {1} {4}} alfa _ {11} P_ {x} ^ {4} + { frac {1} {6}} alfa _ {111} P_ {x} ^ {6} -E_ {x} P_ { x}}$

${ displaystyle { frac { kısalt Delta E} { qisman P_ {x}}} = alfa _ {0} chap (T-T_ {0} o'ng) P_ {x} + alfa _ { 11} P_ {x} ^ {3} + alfa _ {111} P_ {x} ^ {5} -E_ {x} = 0}$

${ displaystyle E_ {x} = alfa _ {0} chap (T-T_ {0} o'ng) P_ {x} + alfa _ {11} P_ {x} ^ {3} + alfa _ { 111} P_ {x} ^ {5}}$

E chizish_x P funktsiyasi sifatida_x va 45 graduslik chiziq bo'yicha grafani aks ettirish 'S' shaklidagi egri chiziqni beradi. "S" ning markaziy qismi erkin energiyaga to'g'ri keladi mahalliy maksimal (beri ${ displaystyle { frac { kısmi ^ {2} Delta E} { qisman P_ {x} ^ {2}}} <0}$ ). Ushbu mintaqani yo'q qilish va "S" egri chizig'ining yuqori va pastki qismlarini uzilishlar oralig'ida vertikal chiziqlar bilan bog'lash.

Shuningdek qarang

Adabiyotlar

Qo'shimcha o'qish

• A. S. Sidorkin (2006). Ferroelektriklarda domen tuzilishi va tegishli materiallar. Kembrij universiteti matbuoti. ISBN  978-1-904602-14-9.
• Karin M Rabe; Jan-Mark Triskone; Charlz X An (2007). Ferroelektriklar fizikasi: zamonaviy istiqbol. Springer. ISBN  978-3-540-34591-6.
• Xulio A. Gonsalo (2006). Ferroelektriklarga fazali o'tishga va ba'zi bir qo'llanmalarga samarali maydon yondashuvi. Jahon ilmiy. ISBN  978-981-256-875-5.

Tashqi havolalar

• Ferroelektriklarda foydali boshlang'ich
• Stoni Bruk universitetidagi ferroelektriklar tadqiqot guruhi