Сегнетоэлектричество

Сегнетоэлектричество — это характеристика некоторых материалов, которые имеют спонтанную электрическую поляризацию , которую можно обратить вспять путем приложения внешнего электрического поля. Все сегнетоэлектрики также являются пьезоэлектриками и пироэлектриками с тем дополнительным свойством, что их естественная электрическая поляризация обратима. Этот термин используется по аналогии с ферромагнетизмом , при котором материал обладает постоянным магнитным моментом . открыл сегнетоэлектричество в сегнетовой соли Ферромагнетизм был уже известен, когда в 1920 году Джозеф Валасек . Таким образом, для описания свойства использовался приставка «ферро» , что означает «железо», несмотря на то, что большинство сегнетоэлектрических материалов не содержат железа. Материалы, которые являются одновременно сегнетоэлектриками и ферромагнитниками, известны как мультиферроики .

поляризация

Линейная диэлектрическая поляризация

Параэлектрическая поляризация

Сегнетоэлектрическая поляризация

Когда большинство материалов электрически поляризованы , индуцированная поляризация P почти точно пропорциональна приложенному внешнему электрическому полю E ; поэтому поляризация является линейной функцией. Это называется линейной диэлектрической поляризацией (см. рисунок). Некоторые материалы, известные как параэлектрические материалы, показывают более усиленную нелинейную поляризацию (см. рисунок). Электрическая проницаемость , соответствующая наклону поляризационной кривой, не является постоянной, как в линейных диэлектриках, а является функцией внешнего электрического поля.

Помимо нелинейности, сегнетоэлектрики демонстрируют спонтанную ненулевую поляризацию (после увлечения , см. рисунок), даже когда приложенное поле E равно нулю. Отличительной особенностью сегнетоэлектриков является то, что спонтанная поляризация может быть обращена вспять достаточно сильным электрическим полем, приложенным в противоположном направлении; таким образом, поляризация зависит не только от текущего электрического поля, но и от его предыстории, образуя петлю гистерезиса . Их называют сегнетоэлектриками по аналогии с ферромагнетиками , которые обладают спонтанной намагниченностью и имеют аналогичные петли гистерезиса.

Обычно материалы проявляют сегнетоэлектричество только ниже определенной температуры фазового перехода, называемой температурой Кюри ( TC _{), и являются параэлектрическими выше этой температуры: спонтанная поляризация исчезает, и} сегнетоэлектрический кристалл переходит в параэлектрическое состояние. Многие сегнетоэлектрики полностью теряют свои пироэлектрические свойства выше T _C , поскольку их параэлектрическая фаза имеет центросимметричную кристаллическую структуру.

Приложения

Нелинейная природа сегнетоэлектриков может быть использована для изготовления конденсаторов с регулируемой емкостью. Обычно сегнетоэлектрический конденсатор просто состоит из пары электродов, между которыми находится слой сегнетоэлектрического материала. Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков не только регулируется, но и обычно очень высока, особенно когда она близка к температуре фазового перехода. Из-за этого сегнетоэлектрические конденсаторы имеют небольшие физические размеры по сравнению с диэлектрическими (неперестраиваемыми) конденсаторами аналогичной емкости.

Спонтанная поляризация сегнетоэлектриков подразумевает эффект гистерезиса , который можно использовать как функцию памяти, а сегнетоэлектрические конденсаторы действительно используются для создания сегнетоэлектрических ОЗУ. для компьютеров и RFID- карт. В этих приложениях обычно используются тонкие пленки из сегнетоэлектрических материалов, поскольку это позволяет достичь поля, необходимого для переключения поляризации, при умеренном напряжении. Однако при использовании тонких пленок большое внимание необходимо уделять интерфейсам, электродам и качеству образцов, чтобы устройства работали надежно.

По соображениям симметрии сегнетоэлектрические материалы должны быть также пьезоэлектрическими и пироэлектрическими. Сочетание свойств памяти, пьезоэлектричества и пироэлектричества делает сегнетоэлектрические конденсаторы очень полезными, например, для датчиков. Сегнетоэлектрические конденсаторы используются в медицинских ультразвуковых аппаратах (конденсаторы генерируют и затем прослушивают ультразвуковой сигнал, используемый для получения изображений внутренних органов тела), высококачественных инфракрасных камерах (инфракрасное изображение проецируется на двумерную решетку сегнетоэлектрических конденсаторов, способных обнаружение разницы температур в миллионные доли градуса Цельсия), пожарные датчики, гидролокаторы, датчики вибрации и даже топливные форсунки на дизельных двигателях.

Еще одна идея, представляющая недавний интерес, — это сегнетоэлектрический туннельный переход ( FTJ ), в котором контакт создается сегнетоэлектрической пленкой нанометровой толщины, помещенной между металлическими электродами. Толщина сегнетоэлектрического слоя достаточно мала, чтобы обеспечить туннелирование электронов. Пьезоэлектрический и интерфейсный эффекты, а также поле деполяризации могут привести к эффекту переключения гигантского электросопротивления (GER).

Еще одним растущим применением является мультиферроика , где исследователи ищут способы объединить магнитное и сегнетоэлектрическое упорядочение внутри материала или гетероструктуры; есть несколько недавних обзоров на эту тему.

Каталитические свойства сегнетоэлектриков изучаются с 1952 года, когда Парравано обнаружил аномалии скорости окисления CO над сегнетоэлектриками ниобатами натрия и калия вблизи температуры Кюри этих материалов. Поверхностно-перпендикулярная составляющая поляризации сегнетоэлектриков может легировать поляризационно-зависимые заряды на поверхности сегнетоэлектриков, изменяя их химический состав. Это открывает возможность осуществления катализа за пределами принципа Сабатье . Принцип Сабатье гласит, что взаимодействие поверхность-адсорбаты должно быть оптимальным: не слишком слабым, чтобы быть инертным по отношению к реагентам, и не слишком сильным, чтобы отравить поверхность и избежать десорбции продуктов: компромиссная ситуация. Этот набор оптимальных взаимодействий обычно называют «вершиной вулкана» на графиках активности вулканов. С другой стороны, сегнетоэлектрическая поляризационно-зависимая химия может предложить возможность переключения взаимодействия поверхность-адсорбаты с сильной адсорбции на сильную десорбцию , поэтому компромисс между десорбцией и адсорбцией больше не нужен. Сегнетоэлектрическая поляризация также может действовать как сборщик энергии . Поляризация может помочь разделению фотогенерированных электронно-дырочных пар , что приводит к усилению фотокатализа. Кроме того, из-за пироэлектрических и пьезоэлектрических эффектов при изменении температуры (циклы нагрева/охлаждения) или различные условия деформации (вибрации) дополнительные заряды могут появляться на поверхности и запускать различные (электро)химические реакции .

Фотосегнетоэлектрическая визуализация — это метод записи оптической информации на кусочках сегнетоэлектрического материала. Изображения энергонезависимы и избирательно стираются.

Материалы

Внутренние электрические диполи сегнетоэлектрика связаны с решеткой материала, поэтому все, что меняет решетку, изменит силу диполей (другими словами, изменение спонтанной поляризации). Изменение спонтанной поляризации приводит к изменению поверхностного заряда. Это может вызвать протекание тока в случае сегнетоэлектрического конденсатора даже без присутствия внешнего напряжения на конденсаторе. Двумя стимулами, которые изменяют размеры решетки материала, являются сила и температура. Генерация поверхностного заряда в ответ на приложение внешнего напряжения к материалу называется пьезоэлектричеством . Изменение спонтанной поляризации материала в ответ на изменение температуры называется пироэлектричеством .

Вообще существует 230 пространственных групп , среди которых 32 кристаллических класса в кристаллах можно найти . Существует 21 нецентросимметричный класс, среди которых 20 — пьезоэлектрические . Среди пьезоэлектрических классов 10 обладают спонтанной электрической поляризацией, которая меняется в зависимости от температуры; таким образом, они являются пироэлектриками . Сегнетоэлектричество — это разновидность пироэлектричества, которое приводит к спонтанной электронной поляризации материала.

32 кристаллических класса
21 нецентросимметричный				11 центросимметричный
20 классов пьезоэлектрический				не пьезоэлектрический
10 классов пироэлектрика		непироэлектрический
сегнетоэлектрик	не сегнетоэлектрический
например: PbZr/TiO 3 , BaTiO 3 , PbTiO 3 , AlN	например: Турмалин , ZnO ,	например: Кварц , Лангасит

Сегнетоэлектрические фазовые переходы часто характеризуются либо как смещение (например, BaTiO ₃ ), либо как порядок-беспорядок (например, NaNO ₂ ), хотя часто фазовые переходы демонстрируют элементы обоих поведений. В титанате бария , типичном сегнетоэлектрике смещенного типа, переход можно понимать как поляризационную катастрофу, при которой, если ион незначительно смещается от равновесия, сила со стороны локальных электрических полей , обусловленная ионами в кристалле упругого восстановления возрастает быстрее, чем силы . Это приводит к асимметричному смещению равновесных положений ионов и, следовательно, к постоянному дипольному моменту. Ионное смещение в титанате бария касается относительного положения иона титана внутри кислородного октаэдрического каркаса. В титанате свинца , еще одном ключевом сегнетоэлектрическом материале, хотя структура очень похожа на титанат бария, движущая сила сегнетоэлектричества более сложна, и важную роль также играют взаимодействия между ионами свинца и кислорода. В сегнетоэлектрике порядок-беспорядок в каждой элементарной ячейке имеется дипольный момент, но при высоких температурах они направлены в случайных направлениях. При понижении температуры и фазовом переходе диполи упорядочиваются, все они направлены в одном направлении внутри домена.

Важным сегнетоэлектрическим материалом для различных применений является цирконат-титанат свинца (ЦТС), который является частью твердого раствора, образующегося между сегнетоэлектриком-титанатом свинца и антисегнетоэлектрическим цирконатом свинца. Разные композиции используются для разных целей; для приложений памяти предпочтительным является PZT, более близкий по составу к титанату свинца, тогда как в пьезоэлектрических приложениях используются расходящиеся пьезоэлектрические коэффициенты, связанные с морфотропной фазовой границей, которая находится близко к составу 50/50.

Сегнетоэлектрические кристаллы часто демонстрируют несколько температур перехода и гистерезис доменной структуры , как и ферромагнитные кристаллы. Природа фазового перехода в некоторых сегнетоэлектрических кристаллах до сих пор недостаточно изучена.

В 1974 году Р.Б. Мейер использовал аргументы симметрии для предсказания сегнетоэлектрических жидких кристаллов . и это предсказание может быть немедленно подтверждено несколькими наблюдениями за поведением, связанным с сегнетоэлектричеством в смектических жидкокристаллических фазах, которые являются хиральными и наклоненными. Технология позволяет создавать мониторы с плоским экраном. Массовое производство в период с 1994 по 1999 год осуществляла компания Canon. Сегнетоэлектрические жидкие кристаллы используются в производстве отражающих LCoS .

В 2010 году Дэвид Филд обнаружил, что прозаические пленки химических веществ, таких как закись азота или пропан, обладают сегнетоэлектрическими свойствами. Этот новый класс сегнетоэлектрических материалов демонстрирует « спонтанные » свойства и может иметь широкое применение в устройствах и нанотехнологиях, а также влиять на электрическую природу пыли в межзвездной среде.

Другие используемые сегнетоэлектрические материалы включают сульфат триглицина , поливинилиденфторид (ПВДФ) и танталат лития . Сегнетоэлектрический монослой толщиной в один атом можно создать, используя чистый висмут .

Должно быть возможно производить материалы, которые сочетают в себе как сегнетоэлектрические, так и металлические свойства одновременно, при комнатной температуре. Согласно исследованию, опубликованному в 2018 году в журнале Nature Communications , ученым удалось создать двумерный лист материала, который был одновременно сегнетоэлектриком (имел полярную кристаллическую структуру) и проводил электричество.

Теория

Введение в теорию Ландау можно найти здесь. На основании теории Гинзбурга-Ландау свободная энергия сегнетоэлектрика в отсутствие электрического поля и приложенного напряжения может быть записана как разложение Тейлора через параметр порядка P . Если используется разложение шестого порядка (т. е. усеченные члены 8-го порядка и выше), свободная энергия определяется как:

${\begin{array}{ll}\Delta E=&{\frac {1}{2}}\alpha _{0}\left(T-T_{0}\right)\left(P_{x}^{2}+P_{y}^{2}+P_{z}^{2}\right)+{\frac {1}{4}}\alpha _{11}\left(P_{x}^{4}+P_{y}^{4}+P_{z}^{4}\right)\\&+{\frac {1}{2}}\alpha _{12}\left(P_{x}^{2}P_{y}^{2}+P_{y}^{2}P_{z}^{2}+P_{z}^{2}P_{x}^{2}\right)\\&+{\frac {1}{6}}\alpha _{111}\left(P_{x}^{6}+P_{y}^{6}+P_{z}^{6}\right)\\&+{\frac {1}{2}}\alpha _{112}\left[P_{x}^{4}\left(P_{y}^{2}+P_{z}^{2}\right)+P_{y}^{4}\left(P_{x}^{2}+P_{z}^{2}\right)+P_{z}^{4}\left(P_{x}^{2}+P_{y}^{2}\right)\right]\\&+{\frac {1}{2}}\alpha _{123}P_{x}^{2}P_{y}^{2}P_{z}^{2}\end{array}}$

где P _x , P _y и P _z — компоненты вектора поляризации в направлениях x , y и z соответственно, и коэффициенты, $\alpha _{i},\alpha _{ij},\alpha _{ijk}$ должно соответствовать симметрии кристалла. Для исследования образования доменов и других явлений в сегнетоэлектриках эти уравнения часто используются в контексте модели фазового поля . Обычно это включает добавление к свободной энергии градиентного члена, электростатического члена и упругого члена. Затем уравнения дискретизируются на сетку с использованием метода конечных разностей или метода конечных элементов и решаются с учетом ограничений закона Гаусса и линейной упругости .

Во всех известных сегнетоэлектриках $\alpha _{0}>0$ и $\alpha _{111}>0$. Эти коэффициенты могут быть получены экспериментально или в результате моделирования ab-initio. Для сегнетоэлектриков с фазовым переходом первого рода $\alpha _{11}<0$, тогда как $\alpha _{11}>0$ для фазового перехода второго рода.

P Спонтанная поляризация сегнетоэлектрика s _: для фазового перехода от кубической к тетрагональной может быть получена путем рассмотрения одномерного выражения свободной энергии, которое имеет вид

$\Delta E={\frac {1}{2}}\alpha _{0}\left(T-T_{0}\right)P_{x}^{2}+{\frac {1}{4}}\alpha _{11}P_{x}^{4}+{\frac {1}{6}}\alpha _{111}P_{x}^{6}$

Эта свободная энергия имеет форму потенциала двойной ямы с двумя минимумами свободной энергии при $P_{x}=P_{s}$, спонтанная поляризация. Находим производную свободной энергии и приравниваем ее к нулю, чтобы решить уравнение $P_{s}$:

${\frac {\partial \Delta E}{\partial P_{x}}}=\alpha _{0}\left(T-T_{0}\right)P_{x}+\alpha _{11}P_{x}^{3}+\alpha _{111}P_{x}^{5}$

$0={\frac {\partial \Delta E}{\partial P_{x}}}=P_{s}\left[\alpha _{0}\left(T-T_{0}\right)+\alpha _{11}P_{s}^{2}+\alpha _{111}P_{s}^{4}\right]$

Поскольку решение этого уравнения при P _s = 0 скорее соответствует максимумам свободной энергии в сегнетоэлектрической фазе, искомые решения для P _s соответствуют установке оставшегося множителя равным нулю:

$\alpha _{0}\left(T-T_{0}\right)+\alpha _{11}P_{s}^{2}+\alpha _{111}P_{s}^{4}=0$

чье решение:

$P_{s}^{2}={\frac {1}{2\alpha _{111}}}\left[-\alpha _{11}\pm {\sqrt {\alpha _{11}^{2}+4\alpha _{0}\alpha _{111}\left(T_{0}-T\right)}}\;\right]$

и исключение решений, которые извлекают квадратный корень из отрицательного числа (для фазовых переходов первого или второго рода), дает:

$P_{s}=\pm {\sqrt {{\frac {1}{2\alpha _{111}}}\left[-\alpha _{11}+{\sqrt {\alpha _{11}^{2}+4\alpha _{0}\alpha _{111}\left(T_{0}-T\right)}}\;\right]}}$

Если $\alpha _{11}=0$, решение для спонтанной поляризации сводится к:

$P_{s}=\pm {\sqrt[{4}]{\frac {\alpha _{0}\left(T_{0}-T\right)}{\alpha _{111}}}}$

Петля гистерезиса (P _x в зависимости от E _x ) может быть получена из разложения по свободной энергии путем включения члена -E _x P _{x ,} соответствующего энергии, обусловленной внешним электрическим полем Ex _, взаимодействующим с поляризацией P _x , следующим образом:

$\Delta E={\frac {1}{2}}\alpha _{0}\left(T-T_{0}\right)P_{x}^{2}+{\frac {1}{4}}\alpha _{11}P_{x}^{4}+{\frac {1}{6}}\alpha _{111}P_{x}^{6}-E_{x}P_{x}$

Находим стабильные значения поляризации P _x под действием внешнего поля , обозначаемого теперь как P _e , опять-таки приравнивая производную энергии по P _x к нулю:

${\frac {\partial \Delta E}{\partial P_{x}}}=\alpha _{0}\left(T-T_{0}\right)P_{x}+\alpha _{11}P_{x}^{3}+\alpha _{111}P_{x}^{5}-E_{x}=0$

$E_{x}=\alpha _{0}\left(T-T_{0}\right)P_{e}+\alpha _{11}P_{e}^{3}+\alpha _{111}P_{e}^{5}$

Построение графика E _x (по оси X) как функции P _e (но по оси Y) дает S-образную кривую, которая является многозначной в P _e для некоторых значений _Ex . Центральная часть буквы S соответствует локальному максимуму свободной энергии (поскольку ${\frac {\partial ^{2}\Delta E}{\partial P_{x}^{2}}}<0$ ). Устранение этой области и соединение верхней и нижней частей S-кривой вертикальными линиями на разрывах дает петлю гистерезиса внутренней поляризации, обусловленной внешним электрическим полем.

Скользящее сегнетоэлектричество

Скользящее сегнетоэлектричество широко встречается, но только в двумерных (2D) многослойных слоях Ван-дер-Ваальса. Вертикальная электрическая поляризация переключается за счет плоскостного межслоевого скольжения.

См. также

• Категория:Сегнетоэлектрики
• Сегнетоэлектрический конденсатор - конденсатор на основе сегнетоэлектрического материала. Страницы, отображающие описания викиданных в качестве запасного варианта.
• Сегнетоэлектрическая оперативная память - новый тип компьютерной памяти.
• Сегнетоэлектрический полимер - группа кристаллических полярных полимеров, которые также являются сегнетоэлектриками.
• Силовая микроскопия пьезоотклика - Метод микроскопии пьезоэлектрических материалов.
• Фотосегнетоэлектрическая визуализация - техника визуализации с использованием сегнетоэлектрических материалов.

Физика

• Параэлектричество - электрически изолирующее вещество, способное поляризоваться приложенным электрическим полем. Страницы с краткими описаниями целей перенаправления.
• Пьезоэлектричество - электрический заряд, образующийся в некоторых твердых телах под действием механического напряжения.
• Пироэлектричество – напряжение, создаваемое при нагревании кристалла.
• Антисегнетоэлектричество
• Ферроупругость
• Флексоэлектричество - поляризация из-за градиента деформации.
• Физика конденсированного состояния — Раздел физики.
• Спинтроника - твердотельная электроника, основанная на спине электрона.
• Керамика – неорганическое неметаллическое твердое вещество, полученное под действием тепла.
• Мультиферроики - материалы, которые имеют более одного из основных параметров порядка ферроиков. Страницы, отображающие описания викиданных в качестве запасного варианта.

Списки

• Электрические явления . Явления, связанные с электрическими явлениями. Страницы с краткими описаниями целей перенаправления.
• Очерк физики - Обзор и актуальное руководство по физике.
• Указатель статей по электронике

Дальнейшее чтение

• А.С. Сидоркин (2006). Доменная структура в сегнетоэлектриках и родственных материалах . Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-1-904602-14-9 .
• Карин М Рабе ; Жан-Марк Трисконе; Чарльз Ан (2007). Физика сегнетоэлектриков: современный взгляд . Спрингер. ISBN  978-3-540-34591-6 .
• Хулио А. Гонсало (2006). Эффективный полевой подход к фазовым переходам и некоторые приложения к сегнетоэлектрикам . Всемирная научная. ISBN  978-981-256-875-5 .

Внешние ссылки

• Сегнетоэлектрические материалы в Кембриджском университете