Ferroelectrics are แนวคิด ความหมาย คุณสมบัติ และการใช้งาน

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 05:43

เฟอร์โรอิเล็กทริกเป็นองค์ประกอบที่มีโพลาไรซ์ไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเอง (SEP) ตัวเริ่มต้นของการกลับรายการสามารถใช้ช่วงไฟฟ้า E กับพารามิเตอร์ที่เหมาะสมและเวกเตอร์ทิศทาง กระบวนการนี้เรียกว่าโพลาไรเซชัน มันจำเป็นต้องมาพร้อมกับฮิสเทรีซิส

คุณสมบัติทั่วไป

เฟอร์โรอิเล็กทริกเป็นส่วนประกอบที่มี:

1. การยอมจำนนมหาศาล
2. โมดูลเพียโซอันทรงพลัง
3. วนซ้ำ

การใช้เฟอร์โรอิเล็กทริกมีการดำเนินการในหลายอุตสาหกรรม นี่คือตัวอย่างบางส่วน:

1. วิศวกรรมวิทยุ
2. ควอนตัมอิเล็กทรอนิกส์
3. เทคโนโลยีการวัด
4. อะคูสติกไฟฟ้า

เฟอร์โรอิเล็กทริกเป็นของแข็งที่ไม่ใช่โลหะ การศึกษาของพวกเขาจะมีประสิทธิภาพมากที่สุดเมื่อสถานะของพวกเขาเป็นผลึกเดี่ยว

เฉพาะเจาะจง

มีเพียงสามองค์ประกอบเหล่านี้:

1. โพลาไรเซชันแบบพลิกกลับได้
2. ความไม่เชิงเส้น
3. ลักษณะผิดปกติ

เฟอร์โรอิเล็กทริกจำนวนมากเลิกเป็นเฟอโรอิเล็กทริกเมื่ออยู่ในสภาวะการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ พารามิเตอร์ดังกล่าวเรียกว่า T_K สารมีพฤติกรรมผิดปกติ ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกจะพัฒนาอย่างรวดเร็วและถึงระดับของแข็ง

การจำแนก

เธอค่อนข้างซับซ้อน โดยปกติประเด็นสำคัญคือการออกแบบองค์ประกอบและเทคโนโลยีการก่อตัวของ SEP ที่สัมผัสกับมันระหว่างการเปลี่ยนแปลงเฟส ที่นี่แบ่งออกเป็นสองประเภท:

1. มีออฟเซ็ต. ไอออนของพวกมันจะเปลี่ยนไประหว่างการเคลื่อนที่ของเฟส
2. ระเบียบวุ่นวาย ภายใต้เงื่อนไขที่คล้ายคลึงกัน ไดโพลของเฟสเริ่มต้นจะถูกจัดเรียงในไดโพล

พวกนี้ก็มีสปีชีส์ย่อยด้วย ตัวอย่างเช่น องค์ประกอบที่มีอคติแบ่งออกเป็นสองประเภท: perovskites และ pseudo-ilmenites

ประเภทที่สองแบ่งออกเป็นสามชั้นเรียน:

1. โพแทสเซียม ไดไฮโดรเจน ฟอสเฟต (KDR) และโลหะอัลคาไล (เช่น KH₂AsO₄ และ KH_{2 PO}4 _).
2. ไตรกลีซีนซัลเฟต (THS): (NH₂CH₂COOH₃)× H ₂SO_4.
3. ส่วนประกอบคริสตัลเหลว

เปรอฟสกี้

องค์ประกอบเหล่านี้มีอยู่ในสองรูปแบบ:

1. โมโนคริสตัลลีน.
2. เซรามิก.

พวกมันบรรจุอ็อกซิเจน octahedron ซึ่งมี Ti ion ที่มีความจุ 4-5

เมื่อเกิดพาราอิเล็กตริก ผลึกจะมีโครงสร้างเป็นลูกบาศก์ ไอออนเช่น Ba และ Cd จะกระจุกตัวอยู่ที่ด้านบน และคู่ออกซิเจนของพวกเขาจะอยู่ตรงกลางใบหน้า มันเป็นแบบนี้นี่เองรูปแปดด้าน

เมื่อไททาเนียมไอออนเปลี่ยนแปลงที่นี่ จะดำเนินการ SEP เฟอร์โรอิเล็กทริกดังกล่าวสามารถสร้างส่วนผสมที่เป็นของแข็งด้วยการก่อตัวของโครงสร้างที่คล้ายกัน ตัวอย่างเช่น PbTiO₃-PbZrO₃ ส่งผลให้เซรามิกมีคุณสมบัติที่เหมาะสมสำหรับอุปกรณ์ต่างๆ เช่น วาริกอนดา เพียโซแอคทูเอเตอร์ โพซิสเตอร์ เป็นต้น

หลอก-ilmenites

พวกมันต่างกันในรูปสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูน ความจำเพาะที่สดใสของพวกเขาคือตัวบ่งชี้อุณหภูมิ Curie สูง

พวกมันเป็นคริสตัลด้วย ตามกฎแล้วจะใช้ในกลไกเกี่ยวกับเสียงบนคลื่นขนาดใหญ่ด้านบน อุปกรณ์ต่อไปนี้มีลักษณะเฉพาะ:

- ตัวสะท้อน;

- ฟิลเตอร์แบบมีแถบ;

- โมดูเลเตอร์อะคูสติกออปติกความถี่สูง

- ตัวรับ pyro

ยังถูกนำไปใช้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และออปติคัลที่ไม่ใช่เชิงเส้นด้วย

KDR และ TGS

เฟอร์โรอิเล็กทริกของคลาสแรกที่กำหนดมีโครงสร้างที่จัดเรียงโปรตอนในที่สัมผัสไฮโดรเจน SEP เกิดขึ้นเมื่อโปรตอนทั้งหมดอยู่ในลำดับ

องค์ประกอบในหมวดหมู่นี้ใช้ในอุปกรณ์ออปติคัลแบบไม่เชิงเส้นและในออปติกไฟฟ้า

ในเฟอร์โรอิเล็กทริกประเภทที่สอง โปรตอนถูกจัดเรียงในทำนองเดียวกัน มีเพียงไดโพลเท่านั้นที่ก่อตัวใกล้กับโมเลกุลไกลซีน

ส่วนประกอบของกลุ่มนี้มีการใช้งานในระดับที่จำกัด โดยปกติแล้วจะมีตัวรับ pyro

วิวผลึกเหลว

มีลักษณะเด่นคือมีโมเลกุลมีขั้วเรียงกันเป็นลำดับในที่นี้ ข้อมูลเฉพาะหลักของเฟอร์โรอิเล็กทริกก็แสดงให้เห็นอย่างชัดเจน

คุณภาพการมองเห็นของพวกมันได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิและเวกเตอร์ของสเปกตรัมไฟฟ้าภายนอก

จากปัจจัยเหล่านี้ การใช้เฟอร์โรอิเล็กทริกประเภทนี้ถูกนำมาใช้ในเซ็นเซอร์ออปติคัล จอภาพ แบนเนอร์ ฯลฯ

ความแตกต่างระหว่างสองคลาส

เฟอร์โรอิเล็กทริกคือการก่อตัวที่มีไอออนหรือไดโพล มีคุณสมบัติแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้น ส่วนประกอบแรกไม่ละลายในน้ำเลย แต่มีความแข็งแรงเชิงกลสูง ขึ้นรูปได้ง่ายในรูปแบบคริสตัลพอลิคริสตัล หากใช้งานระบบเซรามิก

หลังละลายน้ำได้ง่ายและมีกำลังเล็กน้อย ทำให้เกิดผลึกเดี่ยวของพารามิเตอร์ที่เป็นของแข็งจากองค์ประกอบที่เป็นน้ำ

โดเมน

ลักษณะเฉพาะส่วนใหญ่ของเฟอร์โรอิเล็กทริกขึ้นอยู่กับโดเมน ดังนั้น พารามิเตอร์กระแสสลับจึงสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับพฤติกรรมของพวกมัน พบทั้งในผลึกเดี่ยวและเซรามิก

โครงสร้างโดเมนของเฟอร์โรอิเล็กทริกเป็นภาคส่วนที่มีขนาดมหภาค ในนั้นเวกเตอร์ของโพลาไรซ์ตามอำเภอใจไม่มีความคลาดเคลื่อน และมีเพียงความแตกต่างจากเวกเตอร์ที่คล้ายกันในภาคเพื่อนบ้าน

โดเมนแยกผนังที่สามารถเคลื่อนย้ายในพื้นที่ภายในของผลึกเดี่ยว ในกรณีนี้ มีบางส่วนเพิ่มขึ้นและลดลงในโดเมนอื่น เมื่อมีการรีโพลาไรเซชัน ภาคส่วนจะพัฒนาขึ้นเนื่องจากการเคลื่อนตัวของผนังหรือกระบวนการที่คล้ายคลึงกัน

คุณสมบัติทางไฟฟ้าของเฟอร์โรอิเล็กทริก,ซึ่งเป็นผลึกเดี่ยว เกิดขึ้นจากความสมมาตรของตาข่ายคริสตัล

โครงสร้างพลังงานที่ทำกำไรได้มากที่สุดนั้นโดดเด่นด้วยความจริงที่ว่าขอบเขตของโดเมนนั้นเป็นกลางทางไฟฟ้า ดังนั้นเวกเตอร์โพลาไรซ์จึงฉายบนขอบเขตของโดเมนเฉพาะและเท่ากับความยาวของมัน ในเวลาเดียวกัน มันอยู่ตรงข้ามกับเวกเตอร์ที่เหมือนกันจากด้านของโดเมนที่ใกล้ที่สุด

ดังนั้น พารามิเตอร์ทางไฟฟ้าของโดเมนจึงถูกสร้างขึ้นบนพื้นฐานของโครงร่างส่วนท้าย กำหนดค่าเชิงเส้นของโดเมน พวกเขาอยู่ในช่วง 10^-4-10^-1 ดู

โพลาไรซ์

เนื่องจากสนามไฟฟ้าภายนอก เวกเตอร์ของการกระทำทางไฟฟ้าของโดเมนเปลี่ยนไป ดังนั้นการโพลาไรซ์อันทรงพลังของเฟอร์โรอิเล็กทริกจึงเกิดขึ้น เป็นผลให้ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกถึงค่ามหาศาล

การแบ่งขั้วของโดเมนอธิบายโดยที่มาและการพัฒนาเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของขอบเขต

โครงสร้างที่ระบุของเฟอร์โรอิเล็กทริกทำให้เกิดการพึ่งพาทางอ้อมของการเหนี่ยวนำตามระดับแรงดันไฟฟ้าของสนามภายนอก เมื่ออ่อนแอ ความสัมพันธ์ระหว่างเซกเตอร์จะเป็นเส้นตรง ส่วนจะปรากฏขึ้นเมื่อมีการเปลี่ยนขีดจำกัดโดเมนตามหลักการย้อนกลับ

ในเขตพื้นที่อันทรงพลัง กระบวนการดังกล่าวไม่สามารถย้อนกลับได้ ในเวลาเดียวกัน เซกเตอร์ที่เวกเตอร์ SEP สร้างมุมต่ำสุดโดยที่เวกเตอร์สนามเติบโตขึ้น และเมื่อเกิดความตึงเครียด ขอบเขตทั้งหมดจะเรียงกันตามสนาม กำลังสร้างความอิ่มตัวทางเทคนิค

ภายใต้เงื่อนไขดังกล่าว เมื่อความตึงเครียดลดลงเหลือศูนย์ จะไม่มีการกลับตัวของการเหนี่ยวนำที่คล้ายกัน เธอคือได้รับ D_r หากได้รับผลกระทบจากสนามที่มีประจุตรงข้าม มันจะลดลงอย่างรวดเร็วและเปลี่ยนเวกเตอร์ของสนาม

การพัฒนาความตึงเครียดที่ตามมาอีกครั้งนำไปสู่ความอิ่มตัวทางเทคนิค ดังนั้นการพึ่งพาเฟอร์โรอิเล็กทริกในการกลับขั้วโพลาไรซ์ในสเปกตรัมที่แตกต่างกันจึงถูกแสดง ควบคู่ไปกับกระบวนการนี้ ฮิสเทรีซิสเกิดขึ้น

ความเข้มของช่วง E_r, ที่การเหนี่ยวนำตามค่าศูนย์คือแรงบีบบังคับ

กระบวนการฮิสเทรีซิส

ด้วยสิ่งนี้ ขอบเขตของโดเมนจะเปลี่ยนแปลงอย่างถาวรภายใต้อิทธิพลของสนาม หมายถึงการมีอยู่ของการสูญเสียอิเล็กทริกอันเนื่องมาจากต้นทุนด้านพลังงานสำหรับการจัดโดเมน

รูปแบบวงฮิสเทรีซิสที่นี่

พื้นที่ของมันสอดคล้องกับพลังงานที่ใช้ในเฟอร์โรอิเล็กทริกในรอบเดียว เนื่องจากการสูญเสีย แทนเจนต์ของมุม 0, 1 จึงก่อตัวขึ้น

ฮิสเทรีซิสลูปถูกสร้างขึ้นที่ค่าแอมพลิจูดที่แตกต่างกัน จุดสูงสุดของพวกมันรวมกันเป็นเส้นโค้งโพลาไรเซชันหลัก

การวัดค่า

ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของเฟอร์โรอิเล็กทริกในแทบทุกคลาสต่างกันในค่าที่เป็นของแข็งแม้ที่ค่าที่อยู่ไกลจาก T_K.

วัดได้ดังนี้: ใช้อิเล็กโทรดสองขั้วกับคริสตัล ความจุถูกกำหนดในช่วงตัวแปร

บนตัวชี้วัด T_K การซึมผ่านได้ขึ้นอยู่กับความร้อนบางอย่าง สามารถคำนวณได้ตามกฎหมาย Curie-Weiss สูตรต่อไปนี้ใช้ได้ผลที่นี่:

e=4pC / (T-Tc).

ในนั้น C คือค่าคงที่คูรี ต่ำกว่าค่าในช่วงเปลี่ยนผ่าน จะลดลงอย่างรวดเร็ว

ตัวอักษร "e" ในสูตรหมายถึงความไม่เป็นเชิงเส้น ซึ่งมีอยู่ที่นี่ในสเปกตรัมที่ค่อนข้างแคบและมีแรงดันขยับ ด้วยเหตุนี้และฮิสเทรีซิส การซึมผ่านและปริมาตรของเฟอร์โรอิเล็กทริกจึงขึ้นอยู่กับโหมดการทำงาน

ประเภทการซึมผ่าน

วัสดุภายใต้สภาวะการทำงานที่แตกต่างกันของส่วนประกอบที่ไม่เป็นเชิงเส้นจะเปลี่ยนคุณภาพ การซึมผ่านประเภทต่อไปนี้ใช้เพื่อกำหนดลักษณะ:

1. สถิติ (e_st). ในการคำนวณ ใช้เส้นโค้งโพลาไรซ์หลัก: e_st =D / (e₀E)=1 + P / (e 0_{E) » P / (e}0_E).
2. ย้อนกลับ (e_p). แสดงถึงการเปลี่ยนแปลงในโพลาไรซ์ของเฟอร์โรอิเล็กทริกในช่วงตัวแปรภายใต้อิทธิพลคู่ขนานของสนามที่เสถียร
3. มีผลบังคับใช้ (e_ef) คำนวณจาก I ปัจจุบันจริง (หมายถึงประเภทที่ไม่ใช่ไซน์) ร่วมกับส่วนประกอบที่ไม่เป็นเชิงเส้น ในกรณีนี้ มีแรงดันแอ็คทีฟ U และความถี่เชิงมุม w สูตรทำงาน: e_ef ~ C_ef =I / (wU).
4. เริ่มต้น. ถูกกำหนดในสเปกตรัมที่อ่อนแอมาก

ไพโรอิเล็กทริกสองประเภทหลัก

นี่คือเฟอร์โรอิเล็กทริกและแอนติเฟอโรอิเล็กทริก พวกเขามีมีภาค BOT - โดเมน

ในรูปแบบแรก โดเมนหนึ่งสร้างทรงกลมขั้วรอบตัวเอง

เมื่อสร้างโดเมนจำนวนมากก็ลดลง พลังงานของการสลับขั้วก็ลดลงเช่นกัน แต่พลังงานของผนังเซกเตอร์เพิ่มขึ้น กระบวนการจะเสร็จสมบูรณ์เมื่อตัวชี้วัดเหล่านี้อยู่ในลำดับเดียวกัน

พฤติกรรมของ HSE เมื่อ ferroelectrics อยู่ในทรงกลมชั้นนอกเป็นอย่างไรตามที่อธิบายข้างต้น

Antiferroelectrics - การดูดซึมของ sublattices อย่างน้อยสองตัวที่วางอยู่ภายในกันและกัน ในแต่ละทิศทางของปัจจัยไดโพลจะขนานกัน และดัชนีไดโพลร่วมคือ 0

ในสเปกตรัมที่อ่อนแอ antiferroelectrics จะโดดเด่นด้วยโพลาไรเซชันแบบเส้นตรง แต่เมื่อความแรงของสนามเพิ่มขึ้น พวกเขาก็สามารถได้รับสภาพที่เป็นเฟอร์โรอิเล็กทริกได้ พารามิเตอร์ฟิลด์พัฒนาจาก 0 เป็น E₁ โพลาไรซ์เติบโตเชิงเส้น ในการเคลื่อนไหวย้อนกลับเธอได้ย้ายออกจากสนามแล้ว - ได้รับวง

เมื่อความแรงของช่วง E_{2 ก่อตัว} ferroelectric จะถูกแปลงเป็นขั้วตรงข้าม

เมื่อเปลี่ยนเวกเตอร์สนาม E สถานการณ์จะเหมือนกัน ซึ่งหมายความว่าเส้นโค้งสมมาตร

Antiferroelectric เกินเครื่องหมาย Curie ได้รับเงื่อนไขพาราอิเล็กทริก

ด้วยวิธีการด้านล่างถึงจุดนี้ การซึมผ่านถึงค่าสูงสุดที่แน่นอน ด้านบนจะแตกต่างกันไปตามสูตร Curie-Weiss อย่างไรก็ตาม พารามิเตอร์การซึมผ่านสัมบูรณ์ ณ จุดที่ระบุนั้นด้อยกว่าของเฟอร์โรอิเล็กทริก

ในหลายกรณี สารต้านเฟอโรอิเล็กทริกมีโครงสร้างผลึกคล้ายกับแอนติพอด ในสถานการณ์ที่หายากและด้วยสารประกอบที่เหมือนกัน แต่ที่อุณหภูมิต่างกัน เฟสของไพโรอิเล็กทริกทั้งสองจะปรากฏขึ้น

สารต้านเฟอร์โรอิเล็กทริกที่มีชื่อเสียงที่สุดคือ NaNbO_3, NH₄H₂P0 4 _{etc. จำนวนของมันนั้นน้อยกว่าจำนวนของเฟอร์โรอิเล็กทริกทั่วไป}