Ferroelektrikud on Mõiste, määratlus, omadused ja rakendus

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-17 05:24

Ferroelektrikud on spontaanse elektrilise polarisatsiooniga (SEP) elemendid. Selle ümberpööramise initsiaatorid võivad olla sobivate parameetrite ja suunavektoritega elektrivahemiku E rakendused. Seda protsessi nimetatakse repolarisatsiooniks. Sellega kaasneb tingimata hüsterees.

Ühised funktsioonid

Ferroelektrikud on komponendid, millel on:

1. Kolossaalne läbilaskvus.
2. Võimas piesomoodul.
3. Loop.

Ferroelektrikuid kasutatakse paljudes tööstusharudes. Siin on mõned näited:

1. Raadiotehnika.
2. Kvantelektroonika.
3. Mõõtmistehnoloogia.
4. Elektriline akustika.

Ferroelektrikud on tahked ained, mis ei ole metallid. Nende uuring on kõige tõhusam, kui nende olek on monokristall.

Erksad eripärad

Neid elemente on ainult kolm:

1. Pööratav polarisatsioon.
2. Mittelineaarsus.
3. Anomaalsed omadused.

Paljud ferroelektrilised seadmed lakkavad olemast ferroelektrilised, kui need on sisse lülitatudtemperatuuri ülemineku tingimused. Selliseid parameetreid nimetatakse T_K. Ained käituvad ebatavaliselt. Nende dielektriline konstant areneb kiiresti ja saavutab tahke taseme.

Klassifikatsioon

Ta on üsna keeruline. Tavaliselt on selle põhiaspektid elementide disain ja sellega kokkupuutes oleva SEP-i moodustamise tehnoloogia faaside muutumise ajal. Siin on jagatud kahte tüüpi:

1. Olles nihe. Nende ioonid nihkuvad faasi liikumise ajal.
2. Korraldus on kaos. Sarnastel tingimustel on algfaasi dipoolid neis järjestatud.

Neil liikidel on ka alamliike. Näiteks kallutatud komponendid jagunevad kahte kategooriasse: perovskiidid ja pseudoilmeniidid.

Teine tüüp on jagatud kolme klassi:

1. Kaaliumdivesinikfosfaadid (KDR) ja leelismetallid (nt KH₂AsO₄ ja KH_{2 PO}4 _).
2. Triglütsiinsulfaadid (THS): (NH₂CH₂COOH₃)× H ₂SO_4.
3. Vedelkristallkomponendid

Perovskites

Need elemendid on kahes vormingus:

1. Monokristalliline.
2. Keraamika.

Need sisaldavad hapnikuoktaeedrit, mis sisaldab Ti iooni valentsiga 4-5.

Paraelektrilise etapi toimumisel omandavad kristallid kuubilise struktuuri. Ioonid nagu Ba ja Cd on koondunud ülaossa. Ja nende hapnikukaaslased paiknevad nägude keskel. Nii see moodustuboktaeedr.

Kui titaanioonid siin muutuvad, tehakse SEP. Sellised ferroelektrikud võivad luua sarnase struktuuriga moodustistega tahkeid segusid. Näiteks PbTiO₃-PbZrO₃ . Selle tulemuseks on sobivate omadustega keraamika sellistele seadmetele nagu varikondad, piesoajamid, posistorid jne.

Pseudoilmeniidid

Need erinevad romboeedrilise konfiguratsiooni poolest. Nende ere spetsiifilisus on kõrge Curie temperatuuriindikaator.

Need on ka kristallid. Reeglina kasutatakse neid akustilistes mehhanismides ülemistel suurtel lainetel. Järgmisi seadmeid iseloomustab nende olemasolu:

- resonaatorid;

- triipudega filtrid;

- kõrgsageduslikud akusto-optilised modulaatorid;

- pürovastuvõtjad.

Neid kasutatakse ka elektroonilistes ja optilistes mittelineaarsetes seadmetes.

KDR ja TGS

Esimese määratud klassi ferroelektrilistel elementidel on struktuur, mis korraldab prootoneid vesiniku kontaktides. SEP toimub siis, kui kõik prootonid on korras.

Selle kategooria elemente kasutatakse mittelineaarsetes optilistes seadmetes ja elektrioptikas.

Teise kategooria ferroelektrikas on prootonid järjestatud sarnaselt, glütsiini molekulide läheduses tekivad ainult dipoolid.

Selle rühma komponente kasutatakse piiratud ulatuses. Tavaliselt sisaldavad need pürovastuvõtjaid.

Vedelkristallvaated

Neid iseloomustab polaarsete molekulide olemasolu, mis on järjestatud. Siin avalduvad selgelt ferroelektriliste elementide peamised eripärad.

Nende optilisi omadusi mõjutavad temperatuur ja välise elektrispektri vektor.

Nendele teguritele tuginedes kasutatakse seda tüüpi ferroelektrikuid optilistes andurites, monitorides, bännerites jne.

Kahe klassi erinevused

Ferroelektrikud on ioonide või dipoolidega moodustised. Nende omadustes on olulisi erinevusi. Niisiis, esimesed komponendid ei lahustu vees üldse, kuid neil on võimas mehaaniline tugevus. Neid saab hõlpsasti vormida polükristallvormingus eeldusel, et keraamilist süsteemi kasutatakse.

Viimased lahustuvad vees kergesti ja nende tugevus on tühine. Need võimaldavad vesikompositsioonidest moodustada tahkete parameetritega üksikuid kristalle.

Domeenid

Enamik ferroelektriliste elementide omadusi sõltuvad domeenidest. Seega on lülitusvoolu parameeter tihed alt seotud nende käitumisega. Neid leidub nii monokristallides kui ka keraamikas.

Ferroelektriliste elementide domeenistruktuur on makroskoopiliste mõõtmetega sektor. Selles pole suvalise polarisatsiooni vektoril lahknevusi. Ja sarnasest vektorist on erinevusi ainult naabersektorites.

Domeenid eraldavad seinad, mis võivad liikuda üksikkristalli siseruumis. Sel juhul on mõnes valdkonnas kasv ja teistes valdkondades langus. Kui toimub repolarisatsioon, arenevad sektorid seinte nihkumise või sarnaste protsesside tõttu.

Ferroelektriliste elementide elektrilised omadused,mis on üksikkristallid, tekivad kristallvõre sümmeetria alusel.

Kõige kasumlikumat energiastruktuuri iseloomustab asjaolu, et selles olevad domeenipiirid on elektriliselt neutraalsed. Seega projitseeritakse polarisatsioonivektor konkreetse domeeni piirile ja võrdub selle pikkusega. Samal ajal on see lähima domeeni poolelt identse vektoriga vastupidises suunas.

Järelikult kujunevad domeenide elektrilised parameetrid pea-saba skeemi alusel. Määratakse domeenide lineaarsed väärtused. Need on vahemikus 10^-4-10^-1 vt

Polarisatsioon

Välise elektrivälja mõjul muutub domeenide elektriliste toimete vektor. Seega tekib ferroelektriliste elementide võimas polarisatsioon. Selle tulemusena saavutab dielektriline konstant tohutud väärtused.

Domeenide polariseerumist seletatakse nende päritolu ja arenguga, mis on tingitud nende piiride nihkumisest.

Ferroelektriliste elementide näidatud struktuur põhjustab nende induktsiooni kaudse sõltuvuse välisvälja pingeastmest. Kui see on nõrk, on sektorite vaheline seos lineaarne. Ilmub jaotis, kus domeeni piiranguid nihutatakse vastav alt pööratavuse põhimõttele.

Võimsate väljade tsoonis on selline protsess pöördumatu. Samal ajal kasvavad sektorid, mille jaoks SEP vektor moodustab väljavektoriga minimaalse nurga. Ja teatud pinge korral reastuvad kõik domeenid täpselt mööda põldu. Tehniline küllastus on kujunemas.

Sellistes tingimustes, kui pinge on viidud nullini, ei toimu sarnast induktsiooni tagasipööramist. Ta onsaab D_r. Kui seda mõjutab vastupidise laenguga väli, väheneb see kiiresti ja muudab oma vektorit.

Pinge järgnev areng viib taas tehnilise küllastumiseni. Seega tähistatakse ferroelektri sõltuvust polarisatsiooni pöördumisest erinevates spektrites. Paralleelselt selle protsessiga toimub hüsterees.

Intensiivsus vahemikus E_r, , mille juures induktsioon järgneb nullväärtusele, on sundjõud.

Hüstereesiprotsess

Sellega nihkuvad välja mõjul domeeni piirid pöördumatult. See tähendab dielektriliste kadude olemasolu domeenide paigutuse energiakulude tõttu.

Siia moodustub hüstereesisilmus.

Selle pindala vastab ferroelektrikus ühe tsükli jooksul kulutatud energiale. Kadude tõttu tekib selles nurga puutuja 0, 1.

Hüstereesisilmused luuakse erinevatel amplituudiväärtustel. Üheskoos moodustavad nende tipud peamise polarisatsioonikõvera.

Mõõtmistoimingud

Peaaegu kõigi klasside ferroelektriliste materjalide dielektriline konstant erineb tahkete väärtuste poolest isegi väärtustel, mis on kaugel T_K.

Selle mõõtmine on järgmine: kristallile asetatakse kaks elektroodi. Selle võimsus määratakse muutuvas vahemikus.

Ülevalindikaatorid T_K läbilaskvusel on teatav termiline sõltuvus. Seda saab arvutada Curie-Weissi seaduse alusel. Siin töötab järgmine valem:

e=4 pC / (T-Tc).

Selles on C Curie konstant. Üleminekuväärtustest madalamale langeb see kiiresti.

E-täht valemis tähendab mittelineaarsust, mis esineb siin üsna kitsas spektris nihkepingega. Selle ja hüstereesi tõttu sõltuvad ferroelektri läbilaskvus ja maht töörežiimist.

Läbilaskvuse tüübid

Mittelineaarse komponendi erinevates töötingimustes olev materjal muudab selle omadusi. Nende iseloomustamiseks kasutatakse järgmist tüüpi läbilaskvust:

1. Statistiline (e_st). Selle arvutamiseks kasutatakse põhipolarisatsioonikõverat: e_st =D / (e₀E)=1 + P / (e 0_{E) » P / (e}0_E).
2. Tagurpidi (e_p). Tähistab ferroelektri polarisatsiooni muutumist muutujavahemikus stabiilse välja paralleelse mõju all.
3. Tõhus (e_ef). Arvutatud tegelikust voolust I (see tähendab mittesinusoidset tüüpi), mis läheb koos mittelineaarse komponendiga. Sel juhul on aktiivpinge U ja nurksagedus w. Valem töötab: e_ef ~ C_ef =I / (wU).
4. Esialgne. See määratakse äärmiselt nõrkades spektrites.

Kaks peamist püroelektritüüpi

Need on ferroelektrilised ja antiferroelektrilised ained. Neil onseal on BOT-sektorid – domeenid.

Esimesel kujul moodustab üks domeen enda ümber depolariseeriva sfääri.

Kui luuakse palju domeene, siis see väheneb. Samuti väheneb depolarisatsiooni energia, kuid sektori seinte energia suureneb. Protsess on lõppenud, kui need indikaatorid on samas järjekorras.

Mis on HSE käitumine, kui ferroelektrikud on välissfääris, kirjeldati eespool.

Antiferroelektrikud – vähem alt kahe teineteise sisse asetatud alamvõre assimilatsioon. Igas neist on dipooltegurite suund paralleelne. Ja nende ühine dipoolindeks on 0.

Nõrkades spektrites eristatakse antiferroelektrikuid lineaarset tüüpi polarisatsiooniga. Kuid väljatugevuse suurenedes võivad nad omandada ferroelektrilised tingimused. Välja parameetrid arenevad vahemikus 0 kuni E_1. Polariseerumine kasvab lineaarselt. Tagurpidi liikumisel liigub ta juba põllult eemale – saadakse silmus.

Kui moodustub vahemiku E_{2 tugevus, muundatakse} ferroelektriline selle antipood.

Väljavektori E muutmisel on olukord identne. See tähendab, et kõver on sümmeetriline.

Antiferroelectric, mis ületab Curie märgi, omandab paraelektrilised tingimused.

Selle punkti madalamal lähenemisel saavutab läbilaskvus teatud maksimumi. Üle selle varieerub see Curie-Weissi valemi järgi. Siiski on absoluutse läbilaskvuse parameeter näidatud punktis madalam kui ferroelektrilistel elementidel.

Paljudel juhtudel on antiferroelektrikutelnende antipoodidega sarnane kristalne struktuur. Harvadel juhtudel ja identsete ühenditega, kuid erinevatel temperatuuridel, ilmnevad mõlema püroelektri faasid.

Kõige kuulsamad antiferroelektrikud on NaNbO_3, NH₄H₂P0 4 _{jne. Nende arv on väiksem kui tavaliste ferroelektrikute arv.}