I ferroelettrici sono Concetto, definizione, proprietà e applicazione

2024 Autore: Angel Austin | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-17 05:31

I ferroelettrici sono elementi con polarizzazione elettrica spontanea (SEP). Gli iniziatori della sua inversione possono essere applicazioni della gamma elettrica E con parametri e vettori di direzione appropriati. Questo processo è chiamato ripolarizzazione. È necessariamente accompagnato da isteresi.

Caratteristiche comuni

I ferroelettrici sono componenti che hanno:

1. Permettività colossale.
2. Potente modulo piezoelettrico.
3. Ciclo.

L'uso di materiale ferroelettrico è praticato in molti settori. Ecco alcuni esempi:

1. Ingegneria radiofonica.
2. Elettronica quantistica.
3. Tecnologia di misurazione.
4. Acustica elettrica.

I ferroelettrici sono solidi che non sono metalli. Il loro studio è più efficace quando il loro stato è un cristallo singolo.

Specifiche luminose

Ci sono solo tre di questi elementi:

1. Polarizzazione reversibile.
2. Non linearità.
3. Caratteristiche anomale.

Molti materiali ferroelettrici cessano di essere ferroelettrici quando sono dentrocondizioni di transizione della temperatura. Tali parametri sono chiamati T_K. Le sostanze si comportano in modo anomalo. La loro costante dielettrica si sviluppa rapidamente e raggiunge livelli solidi.

Classificazione

Lei è piuttosto complessa. Solitamente i suoi aspetti chiave sono il design degli elementi e la tecnologia di formazione del SEP a contatto con esso durante il cambio di fase. Qui c'è una divisione in due tipi:

1. Avere un offset. I loro ioni si spostano durante il movimento di fase.
2. L'ordine è caos. In condizioni simili, in essi vengono ordinati i dipoli della fase iniziale.

Queste specie hanno anche sottospecie. Ad esempio, i componenti distorti rientrano in due categorie: perovskiti e pseudo-ilmeniti.

Il secondo tipo ha una divisione in tre classi:

1. Potassio diidrogeno fosfato (KDR) e metalli alcalini (es. KH₂AsO₄ e KH_{2 PO}4 _).
2. Solfati di triglicina (THS): (NH₂CH₂COOH₃)× H ₂SO_4.
3. Componenti di cristalli liquidi

Perovskiti

Questi elementi esistono in due formati:

1. Monocristallino.
2. Ceramica.

Contengono un ottaedro di ossigeno, che contiene uno ione Ti con una valenza di 4-5.

Quando si verifica lo stadio paraelettrico, i cristalli acquisiscono una struttura cubica. Ioni come Ba e Cd sono concentrati in alto. E le loro controparti di ossigeno sono posizionate nel mezzo delle facce. Ecco come si formaottaedro.

Quando gli ioni di titanio cambiano qui, viene eseguita la SEP. Tali ferroelettrici possono creare miscele solide con formazioni di struttura simile. Ad esempio, PbTiO₃-PbZrO₃ . Ciò si traduce in ceramiche con caratteristiche adatte per dispositivi come variconda, attuatori piezoelettrici, posistors, ecc.

Pseudo-ilmeniti

Differiscono nella configurazione romboedrica. La loro brillante specificità sono gli indicatori di temperatura di Curie alta.

Anche loro sono cristalli. Di norma, vengono utilizzati nei meccanismi acustici sulle grandi onde superiori. I seguenti dispositivi sono caratterizzati dalla loro presenza:

- risonatori;

- filtri con strisce;

- modulatori acusto-ottici ad alta frequenza;

- ricevitori pirotecnici.

Sono anche introdotti nei dispositivi non lineari elettronici e ottici.

KDR e TGS

I ferroelettrici della prima classe designata hanno una struttura che dispone i protoni in contatti di idrogeno. Il SEP si verifica quando tutti i protoni sono in ordine.

Gli elementi di questa categoria sono utilizzati nei dispositivi ottici non lineari e nell'ottica elettrica.

Nei materiali ferroelettrici della seconda categoria, i protoni sono ordinati in modo simile, si formano solo dipoli vicino alle molecole di glicina.

I componenti di questo gruppo sono usati in misura limitata. Di solito contengono ricevitori pirotecnici.

Vista di cristalli liquidi

Sono caratterizzati dalla presenza di molecole polari disposte in ordine. Qui si manifestano chiaramente le principali specificità dei ferroelettrici.

Le loro qualità ottiche sono influenzate dalla temperatura e dal vettore dello spettro elettrico esterno.

Sulla base di questi fattori, l'uso di materiali ferroelettrici di questo tipo è implementato in sensori ottici, monitor, banner, ecc.

Differenze tra le due classi

I ferroelettrici sono formazioni con ioni o dipoli. Hanno differenze significative nelle loro proprietà. Quindi, i primi componenti non si dissolvono affatto in acqua, ma hanno una potente resistenza meccanica. Sono facilmente formabili nel formato policristallino a condizione che venga azionato il sistema ceramico.

Questi ultimi si dissolvono facilmente in acqua e hanno una forza trascurabile. Consentono la formazione di singoli cristalli di parametri solidi da composizioni acquose.

Domini

La maggior parte delle caratteristiche dei materiali ferroelettrici dipendono dai domini. Pertanto, il parametro della corrente di commutazione è strettamente correlato al loro comportamento. Si trovano sia nei monocristalli che nella ceramica.

La struttura del dominio del ferroelettrico è un settore di dimensioni macroscopiche. In esso, il vettore di polarizzazione arbitraria non ha discrepanze. E ci sono solo differenze da un vettore simile nei settori vicini.

Domini separano le pareti che possono muoversi nello spazio interno di un singolo cristallo. In questo caso, c'è un aumento in alcuni e una diminuzione in altri domini. Quando c'è una ripolarizzazione, i settori si sviluppano a causa dello spostamento delle pareti o di processi simili.

Proprietà elettriche dei materiali ferroelettrici,che sono cristalli singoli, si formano in base alla simmetria del reticolo cristallino.

La struttura energetica più redditizia è caratterizzata dal fatto che i confini del dominio in essa contenuti sono elettricamente neutri. Pertanto, il vettore di polarizzazione viene proiettato sul confine di un particolare dominio ed è uguale alla sua lunghezza. Allo stesso tempo, è opposto in direzione al vettore identico dal lato del dominio più vicino.

Di conseguenza, i parametri elettrici dei domini sono formati sulla base dello schema testa-coda. Vengono determinati i valori lineari dei domini. Sono nell'intervallo 10^-4-10^-1 vedi

Polarizzazione

A causa del campo elettrico esterno, il vettore delle azioni elettriche dei domini cambia. Pertanto, sorge una potente polarizzazione dei ferroelettrici. Di conseguenza, la costante dielettrica raggiunge valori enormi.

La polarizzazione dei domini è spiegata dalla loro origine e dal loro sviluppo dovuto allo spostamento dei loro confini.

La struttura indicata dei ferroelettrici provoca una dipendenza indiretta della loro induzione dal grado di tensione del campo esterno. Quando è debole, il rapporto tra i settori è lineare. Viene visualizzata una sezione in cui i limiti di dominio vengono spostati secondo un principio reversibile.

Nella zona dei campi potenti, un tale processo è irreversibile. Allo stesso tempo, crescono i settori per i quali il vettore SEP forma l'angolo minimo con il vettore campo. E ad una certa tensione, tutti i domini si allineano esattamente lungo il campo. Si sta formando la saturazione tecnica.

In tali condizioni, quando la tensione viene ridotta a zero, non si verifica una simile inversione di induzione. Lei èottiene il residuo D_r. Se è influenzato da un campo con una carica opposta, diminuirà rapidamente e cambierà il suo vettore.

Il successivo sviluppo della tensione porta nuovamente alla saturazione tecnica. Pertanto, viene indicata la dipendenza del ferroelettrico dall'inversione di polarizzazione in spettri variabili. Parallelamente a questo processo, si verifica l'isteresi.

L'intensità della gamma E_r, a cui l'induzione segue attraverso il valore zero, è la forza coercitiva.

Processo di isteresi

Con esso, i confini del dominio vengono spostati irreversibilmente sotto l'influenza del campo. Significa la presenza di perdite dielettriche dovute ai costi energetici per la disposizione dei domini.

Qui si forma un ciclo di isteresi.

La sua area corrisponde all'energia spesa nel ferroelettrico in un ciclo. A causa delle perdite, in esso si forma la tangente dell'angolo 0, 1.

I loop di isteresi vengono creati a diversi valori di ampiezza. Insieme, i loro picchi formano la curva di polarizzazione principale.

Operazioni di misura

La costante dielettrica dei ferroelettrici di quasi tutte le classi differisce in valori solidi anche a valori lontani da T_K.

La sua misura è la seguente: due elettrodi vengono applicati al cristallo. La sua capacità è determinata in un intervallo variabile.

Sopraindicatori T_K la permeabilità ha una certa dipendenza termica. Questo può essere calcolato in base alla legge di Curie-Weiss. La seguente formula funziona qui:

e=4pC / (T-Tc).

In esso, C è la costante di Curie. Al di sotto dei valori di transizione, scende rapidamente.

La lettera "e" nella formula significa non linearità, che è presente qui in uno spettro abbastanza ristretto con una tensione variabile. A causa di ciò e dell'isteresi, la permeabilità e il volume del ferroelettrico dipendono dalla modalità di funzionamento.

Tipi di permeabilità

Il materiale in diverse condizioni operative di un componente non lineare cambia le sue qualità. Per caratterizzarli vengono utilizzati i seguenti tipi di permeabilità:

1. Statistico (e_st). Per calcolarlo si utilizza la curva di polarizzazione principale: e_st =D / (e₀E)=1 + P / (e 0_{MI) » P / (e}0_MI).
2. Inverti (e_p). Denota un cambiamento nella polarizzazione del ferroelettrico nell'intervallo variabile sotto l'influenza parallela di un campo stabile.
3. Efficace (e_ef). Calcolato dalla corrente effettiva I (implica un tipo non sinusoidale) che va in congiunzione con la componente non lineare. In questo caso esiste una tensione attiva U e una frequenza angolare w. La formula funziona: e_ef ~ C_ef =I / (wU).
4. Iniziale. È determinato in spettri estremamente deboli.

Due principali tipi di piroelettrici

Questi sono ferroelettrici e antiferroelettrici. Loro hannoci sono settori BOT - domini.

Nella prima forma, un dominio forma una sfera depolarizzante attorno a se stesso.

Quando vengono creati molti domini, diminuisce. Diminuisce anche l'energia di depolarizzazione, ma aumenta l'energia delle pareti del settore. Il processo è completato quando questi indicatori sono nello stesso ordine.

Qual è il comportamento dell'HSE quando i ferroelettrici si trovano nella sfera esterna, è stato descritto sopra.

Antiferroelettrici - assimilazione di almeno due sottoreticoli posti uno dentro l' altro. In ciascuno, la direzione dei fattori dipolo è parallela. E il loro indice di dipolo comune è 0.

Negli spettri deboli, gli antiferroelettrici si distinguono per un tipo lineare di polarizzazione. Ma all'aumentare dell'intensità del campo, possono acquisire condizioni ferroelettriche. I parametri di campo si sviluppano da 0 a E_1. La polarizzazione cresce linearmente. Nel movimento inverso, si sta già allontanando dal campo - si ottiene un anello.

Quando si forma la forza della gamma E_2, ferroelettrico viene convertito nel suo antipode.

Quando si cambia il vettore di campo E, la situazione è identica. Ciò significa che la curva è simmetrica.

L'antiferroelettrico, superando il segno di Curie, acquisisce condizioni paraelettriche.

Con l'approccio più basso a questo punto, la permeabilità raggiunge un certo massimo. Al di sopra, varia secondo la formula Curie-Weiss. Tuttavia, il parametro di permeabilità assoluta nel punto indicato è inferiore a quello dei materiali ferroelettrici.

In molti casi, gli antiferroelettrici hannostruttura cristallina simile ai loro antipodi. In rare situazioni e con composti identici, ma a temperature diverse, compaiono fasi di entrambi i piroelettrici.

Gli antiferroelettrici più famosi sono NaNbO_3, NH₄H₂P0 4 _{ecc. Il loro numero è inferiore al numero dei comuni ferroelettrici.}