Ferroelektrika sind Konzept, Definition, Eigenschaften und Anwendung

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-17 05:21

Ferroelektrika sind Elemente mit spontaner elektrischer Polarisation (SEP). Auslöser ihrer Umkehrung können Anwendungen des elektrischen Bereichs E mit entsprechenden Parametern und Richtungsvektoren sein. Dieser Vorgang wird als Repolarisation bezeichnet. Es wird zwangsläufig von einer Hysterese begleitet.

Gemeinsame Funktionen

Ferroelektrika sind Komponenten mit:

1. Kolossale Permittivität.
2. Leistungsstarkes Piezomodul.
3. Loop.

Der Einsatz von Ferroelektrika findet in vielen Branchen statt. Hier sind einige Beispiele:

1. Funktechnik.
2. Quantenelektronik.
3. Messtechnik.
4. Elektroakustik.

Ferroelektrika sind Festkörper, die keine Metalle sind. Ihre Studie ist am effektivsten, wenn ihr Zustand Einkristall ist.

Helle Besonderheiten

Es gibt nur drei dieser Elemente:

1. Umkehrbare Polarisation.
2. Nichtlinearität.
3. Anomale Merkmale.

Viele Ferroelektrika hören auf, ferroelektrisch zu sein, wenn sie drin sindTemperaturübergangsbedingungen. Solche Parameter werden T_{K genannt.} Stoffe verh alten sich anormal. Ihre Dielektrizitätskonstante entwickelt sich schnell und erreicht feste Werte.

Klassifizierung

Sie ist ziemlich komplex. Normalerweise sind seine Hauptaspekte das Design der Elemente und die Technologie der Bildung des SEP, das damit während des Phasenwechsels in Kontakt kommt. Hier gibt es eine Unterteilung in zwei Typen:

1. Einen Versatz haben. Ihre Ionen verschieben sich während der Phasenbewegung.
2. Ordnung ist Chaos. Unter ähnlichen Bedingungen werden in ihnen die Dipole der Anfangsphase geordnet.

Diese Arten haben auch Unterarten. Zum Beispiel fallen voreingenommene Komponenten in zwei Kategorien: Perowskite und Pseudo-Ilmenite.

Der zweite Typ unterteilt sich in drei Klassen:

1. Kaliumdihydrogenphosphate (KDR) und Alkalimetalle (z. B. KH₂AsO₄ und KH_{2 PO}4 _).
2. Triglycinsulfate (THS): (NH₂CH₂COOH₃)× H ₂SO_4.
3. Flüssigkristallkomponenten

Perowskite

Diese Elemente existieren in zwei Formaten:

1. Monokristallin.
2. Keramik.

Sie enth alten ein Sauerstoffoktaeder, das ein Ti-Ion mit einer Wertigkeit von 4-5 enthält.

Wenn das paraelektrische Stadium eintritt, nehmen die Kristalle eine kubische Struktur an. Ionen wie Ba und Cd sind oben konzentriert. Und ihre Sauerstoff-Pendants sind in der Mitte der Gesichter positioniert. So wird es gebildetOktaeder.

Wenn sich die Titanionen hier ändern, wird SEP durchgeführt. Solche Ferroelektrika können feste Mischungen mit Formationen ähnlicher Struktur erzeugen. Zum Beispiel PbTiO₃-PbZrO₃ . Dadurch entstehen Keramiken mit geeigneten Eigenschaften für Geräte wie Varikondas, Piezoaktoren, Posistoren etc.

Pseudo-Ilmenite

Sie unterscheiden sich in der rhomboedrischen Konfiguration. Ihre helle Spezifität sind hohe Curie-Temperaturindikatoren.

Das sind auch Kristalle. In der Regel werden sie in akustischen Mechanismen auf den oberen großen Wellen verwendet. Folgende Geräte zeichnen sich durch ihr Vorhandensein aus:

- Resonatoren;

- Filter mit Streifen;

- akusto-optische Hochfrequenzmodulatoren;

- Pyroempfänger.

Sie werden auch in elektronische und optische nichtlineare Geräte eingeführt.

KDR und TGS

Ferroelektrika der ersten bezeichneten Klasse haben eine Struktur, die Protonen in Wasserstoffkontakten anordnet. Der SEP tritt auf, wenn alle Protonen in Ordnung sind.

Elemente dieser Kategorie werden in nichtlinearen optischen Geräten und in der elektrischen Optik verwendet.

In Ferroelektrika der zweiten Kategorie sind Protonen ähnlich angeordnet, nur Dipole werden in der Nähe von Glycinmolekülen gebildet.

Die Komponenten dieser Gruppe werden in begrenztem Umfang verwendet. Normalerweise enth alten sie Pyroempfänger.

Flüssigkristallansichten

Sie sind durch das Vorhandensein von polaren Molekülen gekennzeichnet, die in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet sind. Hier werden die wichtigsten Besonderheiten von Ferroelektrika deutlich.

Ihre optischen Eigenschaften werden durch die Temperatur und den Vektor des äußeren elektrischen Spektrums beeinflusst.

Aufgrund dieser Faktoren wird der Einsatz von Ferroelektrika dieser Art in optischen Sensoren, Monitoren, Bannern usw. implementiert.

Unterschiede zwischen den beiden Klassen

Ferroelektrika sind Formationen mit Ionen oder Dipolen. Sie weisen erhebliche Unterschiede in ihren Eigenschaften auf. Die ersten Komponenten lösen sich also überhaupt nicht in Wasser auf, haben aber eine starke mechanische Festigkeit. Sie lassen sich leicht im polykristallinen Format formen, vorausgesetzt, dass das Keramiksystem betrieben wird.

Letztere lösen sich leicht in Wasser und haben eine vernachlässigbare Stärke. Sie ermöglichen die Bildung von Einkristallen fester Parameter aus wässrigen Zusammensetzungen.

Domänen

Die meisten Eigenschaften von Ferroelektrika hängen von Domänen ab. Somit hängt der Sch altstromparameter eng mit ihrem Verh alten zusammen. Sie kommen sowohl in Einkristallen als auch in Keramiken vor.

Die Domänenstruktur der Ferroelektrika ist ein Sektor von makroskopischen Dimensionen. Darin weist der Vektor beliebiger Polarisation keine Abweichungen auf. Und es gibt nur Unterschiede zu einem ähnlichen Vektor in benachbarten Sektoren.

Domänen trennen Wände, die sich im Inneren eines Einkristalls bewegen können. In diesem Fall gibt es eine Zunahme in einigen und eine Abnahme in anderen Domänen. Bei einer Repolarisation entstehen die Sektoren durch Verschiebung der Wände oder ähnliche Prozesse.

Elektrische Eigenschaften von Ferroelektrika,die Einkristalle sind, entstehen aufgrund der Symmetrie des Kristallgitters.

Die profitabelste Energiestruktur zeichnet sich dadurch aus, dass die Domänengrenzen in ihr elektrisch neutral sind. Somit wird der Polarisationsvektor auf die Grenze einer bestimmten Domäne projiziert und ist gleich ihrer Länge. Gleichzeitig ist er in entgegengesetzter Richtung zum identischen Vektor von der Seite der nächsten Domäne.

Folglich werden die elektrischen Parameter der Domänen nach dem Head-Tail-Schema gebildet. Es werden lineare Werte von Domänen ermittelt. Sie liegen im Bereich 10^-4-10^-1 siehe

Polarisation

Aufgrund des externen elektrischen Feldes ändert sich der Vektor der elektrischen Wirkungen der Domänen. Somit entsteht eine starke Polarisierung von Ferroelektrika. Dadurch erreicht die Dielektrizitätskonstante enorme Werte.

Die Polarisierung von Domänen erklärt sich aus ihrer Entstehung und Entwicklung durch die Verschiebung ihrer Grenzen.

Der angegebene Aufbau von Ferroelektrika bewirkt eine indirekte Abhängigkeit ihrer Induktion von der Höhe der Spannung des äußeren Feldes. Wenn es schwach ist, ist die Beziehung zwischen den Sektoren linear. Es erscheint ein Abschnitt, in dem die Bereichsgrenzen nach einem reversiblen Prinzip verschoben werden.

In der Zone starker Felder ist ein solcher Prozess irreversibel. Gleichzeitig wachsen die Sektoren, für die der SEP-Vektor den minimalen Winkel mit dem Feldvektor bildet. Und bei einer bestimmten Spannung reihen sich alle Domänen genau entlang des Feldes. Technische Sättigung entsteht.

Unter solchen Bedingungen, wenn die Spannung auf Null reduziert wird, gibt es keine ähnliche Umkehrung der Induktion. Sie isterhält das Residuum D_r. Wenn es von einem Feld mit entgegengesetzter Ladung beeinflusst wird, nimmt es schnell ab und ändert seinen Vektor.

Die anschließende Spannungsentwicklung führt wieder zur technischen Sättigung. Damit ist die Abhängigkeit des Ferroelektrikums von der Umpolung in unterschiedlichen Spektren bezeichnet. Parallel zu diesem Vorgang tritt eine Hysterese auf.

Die Intensität des Bereichs E_r, bei dem die Induktion durch den Nullwert erfolgt, ist die Koerzitivfeldstärke.

Hystereseverfahren

Damit werden die Domänengrenzen unter dem Einfluss des Feldes irreversibel verschoben. Dies bedeutet das Vorhandensein von dielektrischen Verlusten aufgrund von Energiekosten für die Anordnung von Domänen.

Hier bildet sich eine Hystereseschleife.

Seine Fläche entspricht der Energie, die das Ferroelektrikum in einem Zyklus aufwendet. Aufgrund von Verlusten wird darin der Tangens des Winkels 0, 1 gebildet.

Hystereseschleifen werden bei unterschiedlichen Amplitudenwerten erzeugt. Zusammen bilden ihre Spitzen die Hauptpolarisationskurve.

Messvorgänge

Die Dielektrizitätskonstante von Ferroelektrika fast aller Klassen unterscheidet sich in festen Werten auch bei Werten weit von T_K.

Ihre Messung ist wie folgt: Zwei Elektroden werden auf den Kristall aufgebracht. Seine Kapazität wird in einem variablen Bereich bestimmt.

ObenIndikatoren T_K Permeabilität hat eine gewisse thermische Abhängigkeit. Dies kann auf der Grundlage des Curie-Weiss-Gesetzes berechnet werden. Hier funktioniert folgende Formel:

e=4pC / (T-Tc).

Dabei ist C die Curie-Konstante. Unterhalb von Übergangswerten fällt es schnell ab.

Der Buchstabe "e" in der Formel bedeutet Nichtlinearität, die hier in einem ziemlich schmalen Spektrum mit einer sich verschiebenden Spannung vorhanden ist. Dadurch und durch die Hysterese sind Permeabilität und Volumen des Ferroelektrikums abhängig von der Betriebsart.

Durchlässigkeitsarten

Material unter verschiedenen Betriebsbedingungen eines nichtlinearen Bauteils ändert seine Eigenschaften. Zur Charakterisierung werden folgende Permeabilitätsarten verwendet:

1. Statistik (e_st). Zur Berechnung wird die Hauptpolarisationskurve verwendet: e_st =D / (e₀E)=1 + P / (e 0_{E) » P / (e}0_E).
2. Rückwärts (e_p). Bezeichnet eine Änderung der Polarisation des Ferroelektrikums im variablen Bereich unter paralleler Einwirkung eines stabilen Feldes.
3. Effektiv (e_ef). Berechnet aus dem tatsächlichen Strom I (impliziert nicht-sinusförmigen Typ) in Verbindung mit der nichtlinearen Komponente. Dabei liegt eine Wirkspannung U und eine Kreisfrequenz w vor. Die Formel funktioniert: e_ef ~ C_ef =I / (wU).
4. Anfänglich. Es wird in extrem schwachen Spektren bestimmt.

Zwei Haupttypen von Pyroelektrika

Dies sind Ferroelektrika und Antiferroelektrika. Bei ihnenes gibt BOT-Sektoren - Domänen.

In der ersten Form bildet eine Domäne eine depolarisierende Sphäre um sich herum.

Wenn viele Domänen erstellt werden, nimmt sie ab. Die Depolarisationsenergie nimmt ebenfalls ab, aber die Energie der Sektorwände nimmt zu. Der Vorgang ist abgeschlossen, wenn diese Anzeigen in der gleichen Reihenfolge sind.

Wie sich der HSE verhält, wenn sich Ferroelektrika in der äußeren Sphäre befinden, wurde oben beschrieben.

Antiferroelektrika - Assimilation von mindestens zwei ineinander gesteckten Untergittern. Die Richtung der Dipolfaktoren ist jeweils parallel. Und ihr gemeinsamer Dipolindex ist 0.

Antiferroelektrika zeichnen sich in schwachen Spektren durch eine lineare Polarisationsart aus. Aber wenn die Feldstärke zunimmt, können sie ferroelektrische Zustände annehmen. Feldparameter entwickeln sich von 0 bis E_1. Polarisation wächst linear. Bei der Rückwärtsbewegung entfernt sie sich bereits vom Feld - es entsteht eine Schleife.

Wenn die Stärke des Bereichs E_{2 gebildet wird, wird} Ferroelektrikum in seinen Antipoden umgewandelt.

Bei Änderung des Feldvektors E ist die Situation identisch. Das bedeutet, dass die Kurve symmetrisch ist.

Antiferroelektrikum, das die Curie-Marke überschreitet, nimmt paraelektrische Zustände an.

Bei der unteren Annäherung an diesen Punkt erreicht die Durchlässigkeit ein gewisses Maximum. Darüber variiert sie nach der Curie-Weiss-Formel. Der absolute Permeabilitätsparameter an der angegebenen Stelle ist jedoch schlechter als der von Ferroelektrika.

In vielen Fällen haben Antiferroelektrikakristalline Struktur ähnlich ihren Antipoden. In seltenen Fällen und bei identischen Verbindungen, aber bei unterschiedlichen Temperaturen, treten Phasen beider Pyroelektrika auf.

Die bekanntesten Antiferroelektrika sind NaNbO_3, NH₄H₂P0 4 _{usw. Ihre Anzahl ist geringer als die der üblichen Ferroelektrika.}