Ferroelektryki to Pojęcie, definicja, właściwości i zastosowanie

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 05:38

Ferroelektryki to elementy o spontanicznej polaryzacji elektrycznej (SEP). Inicjatorami jej odwrócenia mogą być zastosowania zakresu elektrycznego E o odpowiednich parametrach i wektorach kierunkowych. Ten proces nazywa się repolaryzacją. Nieodzownie towarzyszy jej histereza.

Cechy wspólne

Ferroelektryki to komponenty, które mają:

1. Kolosalna przenikalność elektryczna.
2. Potężny moduł piezoelektryczny.
3. Pętla.

Wykorzystywanie ferroelektryków ma miejsce w wielu gałęziach przemysłu. Oto kilka przykładów:

1. Inżynieria radiowa.
2. Elektronika kwantowa.
3. Technologia pomiarowa.
4. Akustyka elektryczna.

Ferroelektryki to ciała stałe, które nie są metalami. Ich badanie jest najskuteczniejsze, gdy ich stan jest monokrystaliczny.

Jasne szczegóły

Istnieją tylko trzy z tych elementów:

1. Odwracalna polaryzacja.
2. Nieliniowość.
3. Cechy anomalne.

Wiele ferroelektryków przestaje być ferroelektrykami, gdy są wwarunki zmiany temperatury. Takie parametry są nazywane T_K. Substancje zachowują się nienormalnie. Ich stała dielektryczna szybko się rozwija i osiąga stałe poziomy.

Klasyfikacja

Ona jest dość złożona. Zwykle jego kluczowymi aspektami są projektowanie elementów i technologia powstawania SEP w kontakcie z nim podczas zmiany faz. Tutaj jest podział na dwa typy:

1. Posiadanie offsetu. Ich jony przesuwają się podczas ruchu fazowego.
2. Porządek to chaos. W podobnych warunkach uporządkowane są w nich dipole fazy początkowej.

Te gatunki mają również podgatunki. Na przykład, tendencyjne komponenty dzielą się na dwie kategorie: perowskity i pseudo-ilmenity.

Drugi typ ma podział na trzy klasy:

1. Dwuwodorofosforany potasu (KDR) i metale alkaliczne (np. KH₂AsO₄ i KH_{2 PO}4 _).
2. Siarczany triglicyny (THS): (NH₂CH₂COOH₃)× H ₂SO_4.
3. Składniki ciekłokrystaliczne

Perowskity

Te elementy istnieją w dwóch formatach:

1. Monokrystaliczne.
2. Ceramiczne.

Zawierają one ośmiościan tlenu, który zawiera jon Ti o wartościowości 4-5.

Kiedy następuje etap paraelektryczny, kryształy uzyskują strukturę sześcienną. Jony takie jak Ba i Cd są skoncentrowane na górze. A ich odpowiedniki tlenowe są umieszczone pośrodku twarzy. Tak to powstajeośmiościan.

Gdy jony tytanu zmieniają się w tym miejscu, przeprowadzany jest SEP. Takie ferroelektryki mogą tworzyć stałe mieszaniny z formacjami o podobnej strukturze. Na przykład PbTiO₃-PbZrO₃ . Daje to ceramikę o odpowiednich właściwościach dla urządzeń takich jak varicondas, siłowniki piezoelektryczne, pozystory itp.

Pseudo-ilmenici

Różnią się konfiguracją romboedryczną. Ich jasną specyfiką są wskaźniki wysokiej temperatury Curie.

Są także kryształami. Z reguły stosuje się je w mechanizmach akustycznych na górnych falach dużych. Swoją obecnością charakteryzują się następujące urządzenia:

- rezonatory;

- filtry z paskami;

- modulatory akustyczno-optyczne wysokiej częstotliwości;

- piroodbiorniki.

Są one również wprowadzane do nieliniowych urządzeń elektronicznych i optycznych.

KDR i TGS

Ferroelektryki pierwszej wskazanej klasy mają strukturę, która porządkuje protony w kontaktach wodorowych. SEP występuje, gdy wszystkie protony są w porządku.

Elementy tej kategorii są używane w nieliniowych urządzeniach optycznych i optyce elektrycznej.

W ferroelektrykach drugiej kategorii protony są uporządkowane podobnie, tylko dipole tworzą się w pobliżu cząsteczek glicyny.

Komponenty tej grupy są używane w ograniczonym zakresie. Zwykle zawierają piroodbiorniki.

Widoki ciekłokrystaliczne

Charakteryzują się obecnością uporządkowanych cząsteczek polarnych. Tutaj wyraźnie widać główne cechy ferroelektryków.

Na ich właściwości optyczne wpływa temperatura i wektor zewnętrznego widma elektrycznego.

W oparciu o te czynniki, zastosowanie ferroelektryków tego typu jest realizowane w czujnikach optycznych, monitorach, banerach itp.

Różnice między dwiema klasami

Ferroelektryki to formacje z jonami lub dipolami. Mają znaczne różnice w swoich właściwościach. Tak więc pierwsze składniki w ogóle nie rozpuszczają się w wodzie, ale mają potężną wytrzymałość mechaniczną. Można je łatwo formować w formacie polikrystalicznym pod warunkiem obsługi systemu ceramicznego.

Te ostatnie łatwo rozpuszczają się w wodzie i mają znikomą siłę. Pozwalają na tworzenie monokryształów o stałych parametrach z kompozycji wodnych.

Domeny

Większość cech ferroelektryków zależy od domen. Zatem parametr prądu przełączania jest ściśle powiązany z ich zachowaniem. Występują zarówno w monokryształach, jak iw ceramice.

Struktura domenowa ferroelektryków to sektor o wymiarach makroskopowych. W nim wektor dowolnej polaryzacji nie ma rozbieżności. I są tylko różnice w porównaniu z podobnym wektorem w sąsiednich sektorach.

Domeny oddzielają ściany, które mogą poruszać się w wewnętrznej przestrzeni pojedynczego kryształu. W tym przypadku następuje wzrost w niektórych domenach, a spadek w innych. Kiedy następuje repolaryzacja, sektory rozwijają się z powodu przemieszczenia ścian lub podobnych procesów.

Właściwości elektryczne ferroelektryków,które są monokryształami, powstają w oparciu o symetrię sieci krystalicznej.

Najbardziej opłacalna struktura energetyczna charakteryzuje się tym, że granice domen w niej są elektrycznie obojętne. W ten sposób wektor polaryzacji rzutowany jest na granicę określonej domeny i jest równy jej długości. Jednocześnie jest przeciwny do identycznego wektora od strony najbliższej domeny.

W konsekwencji parametry elektryczne domen są tworzone na podstawie schematu głowa-ogon. Określane są wartości liniowe domen. Są w zakresie 10^-4-10^-1 zobacz

Polaryzacja

Z powodu zewnętrznego pola elektrycznego zmienia się wektor działań elektrycznych domen. W ten sposób powstaje silna polaryzacja ferroelektryków. W rezultacie stała dielektryczna osiąga ogromne wartości.

Polaryzacja domen tłumaczy się ich pochodzeniem i rozwojem ze względu na przesunięcie ich granic.

Wskazana struktura ferroelektryków powoduje pośrednią zależność ich indukcji od stopnia napięcia pola zewnętrznego. Kiedy jest słaby, relacja między sektorami jest liniowa. Pojawia się sekcja, w której granice domen są przesuwane zgodnie z odwracalną zasadą.

W strefie potężnych pól taki proces jest nieodwracalny. Jednocześnie rosną sektory, dla których wektor SEP tworzy minimalny kąt z wektorem pola. I przy pewnym napięciu wszystkie domeny układają się dokładnie na boisku. Powstaje nasycenie techniczne.

W takich warunkach, gdy napięcie jest zredukowane do zera, nie ma podobnego odwrócenia indukcji. jestpobiera resztkowe D_r. Jeśli znajdzie się pod wpływem pola o przeciwnym ładunku, gwałtownie zmniejszy się i zmieni swój wektor.

Następny rozwój napięcia ponownie prowadzi do nasycenia technicznego. W ten sposób oznaczono zależność ferroelektryka od odwrócenia polaryzacji w różnych widmach. Równolegle z tym procesem dochodzi do histerezy.

Natężenie zakresu E_r, przy którym indukcja następuje poprzez wartość zerową, jest siłą przymusu.

Proces histerezy

Dzięki niemu granice domeny są nieodwracalnie przesuwane pod wpływem pola. Oznacza to występowanie strat dielektrycznych spowodowanych kosztami energii na rozmieszczenie domen.

Tu tworzy się pętla histerezy.

Jego powierzchnia odpowiada energii zużytej w ferroelektryku w jednym cyklu. Ze względu na straty powstaje w nim styczna do kąta 0, 1.

Pętle histerezy są tworzone przy różnych wartościach amplitudy. Razem ich szczyty tworzą główną krzywą polaryzacji.

Operacje pomiarowe

Stała dielektryczna ferroelektryków prawie wszystkich klas różni się wartościami stałymi nawet przy wartościach dalekich od T_K.

Jego pomiar jest następujący: dwie elektrody są przyłożone do kryształu. Jego pojemność jest określana w zmiennym zakresie.

Powyżejwskaźniki T_K przepuszczalność ma pewną zależność termiczną. Można to obliczyć na podstawie prawa Curie-Weissa. Tutaj działa następująca formuła:

e=4pC / (T-Tc).

W nim C jest stałą Curie. Poniżej wartości przejściowych gwałtownie spada.

Litera „e” we wzorze oznacza nieliniowość, która występuje tutaj w dość wąskim widmie z przesuwającym się napięciem. Z tego powodu i histerezy przepuszczalność i objętość ferroelektryka zależą od trybu pracy.

Rodzaje przepuszczalności

Materiał w różnych warunkach pracy elementu nieliniowego zmienia swoje właściwości. Do ich scharakteryzowania stosuje się następujące rodzaje przepuszczalności:

1. Statystyczne (e_st). Aby ją obliczyć, używana jest główna krzywa polaryzacji: e_st =D / (e₀E)=1 + P / (e 0_{E) » P / (e}0_E).
2. Odwróć (e_p). Oznacza zmianę polaryzacji ferroelektryka w zmiennym zakresie pod równoległym wpływem stabilnego pola.
3. Skuteczny (e_ef). Obliczany na podstawie aktualnego prądu I (implikuje typ niesinusoidalny) w połączeniu ze składową nieliniową. W tym przypadku występuje napięcie czynne U i częstotliwość kątowa w. Formuła działa: e_ef ~ C_ef =I / (wU).
4. Początkowe. Jest określany w skrajnie słabych widmach.

Dwa główne typy piroelektryków

To są ferroelektryki i antyferroelektryki. Oni mająistnieją sektory BOT - domeny.

W pierwszej formie jedna domena tworzy wokół siebie depolaryzującą sferę.

Gdy tworzonych jest wiele domen, zmniejsza się. Zmniejsza się również energia depolaryzacji, ale wzrasta energia ścian sektora. Proces jest zakończony, gdy te wskaźniki są w tej samej kolejności.

Jak zachowuje się HSE, gdy ferroelektryki znajdują się w sferze zewnętrznej, zostało opisane powyżej.

Antyferroelektryki - asymilacja co najmniej dwóch podsieci umieszczonych jedna w drugiej. W każdym z nich kierunek czynników dipolowych jest równoległy. A ich wspólny indeks dipolowy wynosi 0.

W słabych widmach antyferroelektryki wyróżniają się liniową polaryzacją. Ale wraz ze wzrostem natężenia pola mogą uzyskać warunki ferroelektryczne. Parametry pola rozwijają się od 0 do E_1. Polaryzacja rośnie liniowo. Na ruchu wstecznym już oddala się od pola - uzyskuje się pętlę.

Kiedy utworzy się siła zakresu E_2, ferroelektryk jest przekształcany w jego antypodę.

Podczas zmiany wektora pola E sytuacja jest identyczna. Oznacza to, że krzywa jest symetryczna.

Antyferroelektryczny, przekraczający znak Curie, uzyskuje warunki paraelektryczne.

Przy niższym podejściu do tego punktu przepuszczalność osiąga pewne maksimum. Powyżej waha się zgodnie z formułą Curie-Weissa. Jednak parametr przepuszczalności bezwzględnej we wskazanym punkcie jest gorszy niż w przypadku ferroelektryków.

W wielu przypadkach antyferroelektryki mająstruktura krystaliczna zbliżona do ich antypodów. W rzadkich sytuacjach i przy identycznych związkach, ale w różnych temperaturach, pojawiają się fazy obu piroelektryków.

Najbardziej znane antyferroelektryki to NaNbO_3, NH₄H₂P0 4 _{itd. Ich liczba jest mniejsza niż liczba zwykłych ferroelektryków.}