Ferroelectricele sunt Concept, definiție, proprietăți și aplicație

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-17 05:39

Ferroelectricele sunt elemente cu polarizare electrică spontană (SEP). Inițiatorii inversării sale pot fi aplicații ale domeniului electric E cu parametri adecvați și vectori de direcție. Acest proces se numește repolarizare. Este însoțit în mod necesar de histerezis.

Funcții comune

Ferroelectricele sunt componente care au:

1. Permitivitate colosală.
2. Modul piezo puternic.
3. Loop.

Utilizarea feroelectricelor se realizează în multe industrii. Iată câteva exemple:

1. Inginerie radio.
2. Electronica cuantică.
3. Tehnologie de măsurare.
4. Acustica electrică.

Ferroelectricele sunt solide care nu sunt metale. Studiul lor este cel mai eficient atunci când starea lor este un singur cristal.

Detalii luminoase

Există doar trei dintre aceste elemente:

1. Polarizare reversibilă.
2. Neliniaritate.
3. Caracteristici anormale.

Multe feroelectrice încetează să fie feroelectrice atunci când sunt în interiorconditii de tranzitie de temperatura. Astfel de parametri se numesc T_K. Substanțele se comportă anormal. Constanta lor dielectrică se dezvoltă rapid și atinge niveluri solide.

Clasificare

E destul de complexă. De obicei, aspectele sale cheie sunt proiectarea elementelor și tehnologia de formare a SEP în contact cu acesta în timpul schimbării fazelor. Aici există o împărțire în două tipuri:

1. Aveți o compensare. Ionii lor se schimbă în timpul mișcării fazei.
2. Comanda este haos. În condiții similare, dipolii fazei inițiale sunt ordonați în ele.

Aceste specii au și subspecii. De exemplu, componentele părtinitoare se împart în două categorii: perovskiți și pseudo-ilmeniți.

Al doilea tip are o împărțire în trei clase:

1. Dihidrogen fosfați de potasiu (KDR) și metale alcaline (de exemplu, KH₂AsO₄ și KH_{2 PO}4 _).
2. sulfați de triglicină (THS): (NH₂CH₂COOH₃)× H ₂SO_4.
3. Componente cu cristale lichide

Perovskiți

Aceste elemente există în două formate:

1. Monocristalin.
2. Ceramic.

Conțin un octaedru de oxigen, care conține un ion de Ti cu o valență de 4-5.

Când apare etapa paraelectrică, cristalele capătă o structură cubică. Ioni precum Ba și Cd sunt concentrați în partea de sus. Iar omologii lor de oxigen sunt poziționați în mijlocul fețelor. Așa se formeazăoctaedru.

Când ionii de titan se schimbă aici, se efectuează SEP. Astfel de feroelectrici pot crea amestecuri solide cu formațiuni cu o structură similară. De exemplu, PbTiO₃-PbZrO₃ . Acest lucru are ca rezultat ceramică cu caracteristici adecvate pentru dispozitive precum variconde, actuatoare piezo, pozistori etc.

Pseudo-ilmenite

Ele diferă în configurația romboedrică. Specificul lor strălucitor este indicatorii ridicati de temperatură Curie.

Sunt, de asemenea, cristale. De regulă, ele sunt utilizate în mecanismele acustice pe undele mari superioare. Următoarele dispozitive se caracterizează prin prezența lor:

- rezonatoare;

- filtre cu dungi;

- modulatoare acusto-optice de în altă frecvență;

- piroreceptoare.

Sunt introduse și în dispozitivele electronice și optice neliniare.

KDR și TGS

Ferroelectricii din prima clasă desemnată au o structură care aranjează protonii în contactele cu hidrogen. SEP are loc atunci când toți protonii sunt în ordine.

Elementele din această categorie sunt folosite în dispozitive optice neliniare și în optică electrică.

În feroelectricii din a doua categorie, protonii sunt ordonați în mod similar, numai dipolii se formează lângă moleculele de glicină.

Componentele acestui grup sunt utilizate într-o măsură limitată. De obicei, acestea conțin receptori piro.

Vizualizări cu cristale lichide

Se caracterizează prin prezența moleculelor polare dispuse în ordine. Aici se manifestă clar principalele specificități ale feroelectricilor.

Calitățile lor optice sunt afectate de temperatură și de vectorul spectrului electric exterior.

Pe baza acestor factori, utilizarea feroelectricilor de acest tip este implementată în senzori optici, monitoare, bannere etc.

Diferențe între cele două clase

Ferroelectricii sunt formațiuni cu ioni sau dipoli. Au diferențe semnificative în proprietățile lor. Deci, primele componente nu se dizolvă deloc în apă, dar au o rezistență mecanică puternică. Se formează cu ușurință în format policristal cu condiția să funcționeze sistemul ceramic.

Aceste din urmă se dizolvă ușor în apă și au o rezistență neglijabilă. Acestea permit formarea de monocristale de parametri solizi din compoziții apoase.

Domenii

Cele mai multe caracteristici ale feroelectricilor depind de domenii. Astfel, parametrul curentului de comutare este strâns legat de comportamentul lor. Se găsesc atât în cristale simple, cât și în ceramică.

Structura de domeniu a feroelectricilor este un sector de dimensiuni macroscopice. În ea, vectorul de polarizare arbitrară nu are discrepanțe. Și există doar diferențe față de un vector similar în sectoarele învecinate.

Domenii separă pereți care se pot mișca în spațiul interior al unui singur cristal. În acest caz, există o creștere în unele domenii și o scădere în alte domenii. Când are loc o repolarizare, sectoarele se dezvoltă din cauza deplasării pereților sau a unor procese similare.

Proprietăți electrice ale feroelectricilor,care sunt monocristale, se formează pe baza simetriei rețelei cristaline.

Cea mai profitabilă structură energetică se caracterizează prin faptul că limitele domeniului din ea sunt neutre din punct de vedere electric. Astfel, vectorul de polarizare este proiectat pe granița unui anumit domeniu și este egal cu lungimea acestuia. În același timp, este opusă în direcție vectorului identic din partea celui mai apropiat domeniu.

În consecință, parametrii electrici ai domeniilor se formează pe baza schemei cap-coadă. Se determină valorile liniare ale domeniilor. Sunt în intervalul 10^-4-10^-1 vezi

Polarizare

Datorită câmpului electric extern, vectorul acțiunilor electrice ale domeniilor se modifică. Astfel, apare o polarizare puternică a feroelectricilor. Ca urmare, constanta dielectrică atinge valori uriașe.

Polarizarea domeniilor se explică prin originea și dezvoltarea lor datorită schimbării limitelor lor.

Structura indicată a feroelectricilor determină o dependență indirectă a inducției lor de gradul de tensiune al câmpului extern. Când este slabă, relația dintre sectoare este liniară. Apare o secțiune în care limitele domeniului sunt deplasate conform unui principiu reversibil.

În zona câmpurilor puternice, un astfel de proces este ireversibil. În același timp, cresc sectoarele pentru care vectorul SEP formează unghiul minim cu vectorul câmp. Și la o anumită tensiune, toate domeniile se aliniază exact de-a lungul câmpului. Se formează saturația tehnică.

În astfel de condiții, când tensiunea este redusă la zero, nu există o inversare similară a inducției. Ea esteprimește D_r rezidual. Dacă este afectat de un câmp cu sarcină opusă, acesta va scădea rapid și își va schimba vectorul.

Dezvoltarea ulterioară a tensiunii duce din nou la saturație tehnică. Astfel, se notează dependența feroelectricului de inversarea polarizării în diferite spectre. În paralel cu acest proces, apare histerezisul.

Intensitatea intervalului E_r, la care inducerea urmează valoarea zero, este forța coercitivă.

Proces de histerezis

Cu aceasta, limitele domeniului sunt deplasate ireversibil sub influența câmpului. Înseamnă prezența pierderilor dielectrice din cauza costurilor energetice pentru amenajarea domeniilor.

Aici se formează o buclă de histerezis.

Aria sa corespunde energiei cheltuite în feroelectric într-un ciclu. Din cauza pierderilor, în el se formează tangenta unghiului 0, 1.

Buclele de histerezis sunt create la diferite valori de amplitudine. Împreună, vârfurile lor formează curba principală de polarizare.

Operații de măsurare

Constanta dielectrică a feroelectricilor din aproape toate clasele diferă în valori solide chiar și la valori departe de T_K.

Măsurarea sa este următoarea: doi electrozi sunt aplicați pe cristal. Capacitatea sa este determinată într-un interval variabil.

Mai susindicatori T_K permeabilitate are o anumită dependență termică. Aceasta poate fi calculată pe baza legii Curie-Weiss. Următoarea formulă funcționează aici:

e=4pC / (T-Tc).

În el, C este constanta Curie. Sub valorile de tranziție, scade rapid.

Litera „e” din formulă înseamnă neliniaritate, care este prezentă aici într-un spectru destul de îngust, cu o tensiune de deplasare. Din cauza ei și a histerezii, permeabilitatea și volumul feroelectricului depind de modul de funcționare.

Tipuri de permeabilitate

Materialul în diferite condiții de funcționare a unei componente neliniare își schimbă calitățile. Următoarele tipuri de permeabilitate sunt folosite pentru a le caracteriza:

1. Statistice (e_st). Pentru a-l calcula, se folosește curba principală de polarizare: e_st =D / (e₀E)=1 + P / (e 0_{E) » P / (e}0_E).
2. invers (e_p). Denotă o modificare a polarizării feroelectricului în domeniul variabil sub influența paralelă a unui câmp stabil.
3. Eficient (e_ef). Calculat din curentul real I (implică tipul nesinusoidal) care merge în legătură cu componenta neliniară. În acest caz, există o tensiune activă U și o frecvență unghiulară w. Formula funcționează: e_ef ~ C_ef =I / (wU).
4. Inițială. Este determinată în spectre extrem de slabe.

Două tipuri principale de piroelectrice

Acestea sunt feroelectrice și antiferoelectrice. Ei auexistă sectoare BOT - domenii.

În prima formă, un domeniu formează o sferă depolarizantă în jurul său.

Când sunt create o mulțime de domenii, aceasta scade. Energia depolarizării scade și ea, dar crește energia pereților sectorului. Procesul este finalizat când acești indicatori sunt în aceeași ordine.

Care este comportamentul HSE atunci când feroelectricii sunt în sfera exterioară, a fost descris mai sus.

Antiferoelectrice - asimilarea a cel putin doua subrete plasate una in interiorul celeil alte. În fiecare, direcția factorilor dipol este paralelă. Iar indicele lor comun de dipol este 0.

În spectrele slabe, antiferoelectricii se disting printr-un tip liniar de polarizare. Dar pe măsură ce intensitatea câmpului crește, ei pot dobândi condiții feroelectrice. Parametrii câmpului se dezvoltă de la 0 la E_1. Polarizarea crește liniar. La mișcarea inversă, ea se îndepărtează deja de teren - se obține o buclă.

Când se formează puterea intervalului E_2, feroelectric este convertit în antipodul său.

La schimbarea vectorului de câmp E, situația este identică. Aceasta înseamnă că curba este simetrică.

Antiferoelectric, depășind marca Curie, dobândește condiții paraelectrice.

Cu abordarea mai joasă a acestui punct, permeabilitatea atinge un anumit maxim. Deasupra acestuia, variază în funcție de formula Curie-Weiss. Cu toate acestea, parametrul de permeabilitate absolută în punctul indicat este inferior celui al feroelectricilor.

În multe cazuri, antiferoelectricii austructură cristalină asemănătoare cu antipozii lor. În situații rare și cu compuși identici, dar la temperaturi diferite, apar faze ale ambelor piroelectrice.

Cei mai faimoși antiferoelectrici sunt NaNbO_3, NH₄H₂P0 4 _{etc. Numărul lor este inferior numărului de feroelectrice obișnuite.}