Ferroelectrics הם מושג, הגדרה, מאפיינים ויישום

2024 מְחַבֵּר: Angel Austin | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-17 05:26

Ferroelectrics הם אלמנטים עם קיטוב חשמלי ספונטני (SEP). היוזמים של היפוך שלו יכולים להיות יישומים של הטווח החשמלי E עם פרמטרים מתאימים ווקטורי כיוון. תהליך זה נקרא ריפולריזציה. זה מלווה בהכרח בהיסטרזיס.

תכונות נפוצות

Ferroelectrics הם רכיבים שיש להם:

1. אפשריות קולוסאלית.
2. מודול פייזו רב עוצמה.
3. לולאה.

השימוש בפרו-אלקטריקים מתבצע בתעשיות רבות. הנה כמה דוגמאות:

1. הנדסת רדיו.
2. אלקטרוניקה קוונטית.
3. טכנולוגיית מדידה.
4. אקוסטיקה חשמלית.

פרואלקטריקים הם מוצקים שאינם מתכות. המחקר שלהם הוא היעיל ביותר כאשר המצב שלהם הוא יחיד גביש.

פרטים מוארים

יש רק שלושה מהאלמנטים האלה:

1. קיטוב הפיך.
2. לא-לינאריות.
3. מאפיינים חריגים.

פרו-אלקטריים רבים מפסיקים להיות פרו-אלקטריים כשהם בפניםתנאי מעבר טמפרטורה. פרמטרים כאלה נקראים T_K. חומרים מתנהגים בצורה חריגה. הקבוע הדיאלקטרי שלהם מתפתח במהירות ומגיע לרמות מוצקות.

Classification

היא די מורכבת. בדרך כלל ההיבטים המרכזיים שלו הם עיצוב האלמנטים וטכנולוגיית היווצרות ה-SEP במגע איתו במהלך שינוי השלבים. כאן יש חלוקה לשני סוגים:

1. יש קיזוז. היונים שלהם נעים במהלך תנועת הפאזה.
2. סדר הוא כאוס. בתנאים דומים, הדיפולים של השלב הראשוני מסודרים בהם.

למינים אלה יש גם תת-מינים. לדוגמה, רכיבים מוטים מתחלקים לשתי קטגוריות: פרוסקיטים ופסאודו-אילמניטים.

לסוג השני יש חלוקה לשלוש מחלקות:

1. פוטסיום דימימן פוספטים (KDR) ומתכות אלקליות (למשל KH₂AsO₄ ו-KH_{2 PO}4 _).
2. טריגליצין סולפטים (THS): (NH₂CH₂COOH₃)× H ₂SO_4.
3. רכיבי גביש נוזלי

Perovskites

הרכיבים האלה קיימים בשני פורמטים:

1. מונוקריסטלי.
2. קרמיקה.

הם מכילים אוקטהדרון חמצן, המכיל יון Ti עם ערכיות של 4-5.

כאשר מתרחש השלב הפארא-אלקטרי, הגבישים מקבלים מבנה קובי. יונים כמו Ba ו-Cd מרוכזים בחלק העליון. ועמיתיהם החמצן ממוקמים באמצע הפנים. כך הוא נוצראוקטהדרון.

כאשר יוני טיטניום משתנים כאן, מבוצע SEP. פרו-אלקטריקים כאלה יכולים ליצור תערובות מוצקות עם תצורות בעלות מבנה דומה. לדוגמה, PbTiO₃-PbZrO₃ . כתוצאה מכך נוצרת קרמיקה עם מאפיינים מתאימים למכשירים כגון וריקונדות, מפעילי piezo, posistors וכו'.

Pseudo-ilmenites

הם נבדלים זה מזה בתצורת המעוינים. הספציפיות הבהירה שלהם היא מחווני טמפרטורת קירי גבוהים.

הם גם קריסטלים. ככלל, הם משמשים במנגנונים אקוסטיים על הגלים הגדולים העליונים. המכשירים הבאים מאופיינים בנוכחותם:

- resonators;

- מסננים עם פסים;

- מאפננים אקוסטו-אופטיים בתדר גבוה;

- מקלטי פיירו.

הם מוכנסים גם למכשירים אלקטרוניים ואופטיים לא ליניאריים.

KDR ו-TGS

לפרואלקטריות מהמחלקה המיועדת הראשונה יש מבנה שמסדר פרוטונים במגעי מימן. ה-SEP מתרחש כאשר כל הפרוטונים בסדר.

אלמנטים מקטגוריה זו משמשים בהתקנים אופטיים לא ליניאריים ובאופטיקה חשמלית.

בפרואטיקה מהקטגוריה השנייה, פרוטונים מסודרים באופן דומה, רק דיפולים נוצרים ליד מולקולות גליצין.

הרכיבים של קבוצה זו משמשים במידה מוגבלת. בדרך כלל הם מכילים מקלטי פיירו.

תצוגות גביש נוזלי

הם מאופיינים בנוכחות של מולקולות קוטביות מסודרות לפי הסדר.כאן, הספציפיות העיקריות של פרואלקטריות באות לידי ביטוי בבירור.

האיכויות האופטיות שלהם מושפעות מהטמפרטורה ומהווקטור של הספקטרום החשמלי החיצוני.

בהתבסס על גורמים אלה, השימוש בפרואלקטריות מסוג זה מיושם בחיישנים אופטיים, צגים, באנרים וכו'.

הבדלים בין שתי המחלקות

פרואלקטריות הן תצורות עם יונים או דיפולים. יש להם הבדלים משמעותיים במאפיינים שלהם. אז, הרכיבים הראשונים אינם מתמוססים במים כלל, אך יש להם חוזק מכני רב עוצמה. הם נוצרים בקלות בפורמט פוליקריסטל בתנאי שהמערכת הקרמית מופעלת.

האחרונים מתמוססים בקלות במים ובעלי חוזק זניח. הם מאפשרים היווצרות של גבישים בודדים של פרמטרים מוצקים מהרכבים מימיים.

Domains

רוב המאפיינים של פרואלקטריות תלויים בתחומים. לפיכך, פרמטר זרם המיתוג קשור קשר הדוק להתנהגותם. הם נמצאים גם בקריסטלים בודדים וגם בקרמיקה.

מבנה התחום של פרו-אלקטריק הוא מגזר בעל ממדים מאקרוסקופיים. בו, לוקטור של קיטוב שרירותי אין סתירות. ויש רק הבדלים מוקטור דומה במגזרים שכנים.

דומיינים מפרידים קירות שיכולים לנוע בחלל הפנימי של גביש בודד. במקרה זה, יש עלייה בחלקם וירידה בתחומים אחרים. כאשר יש קיטוב מחדש, הסקטורים מתפתחים עקב תזוזה של הקירות או תהליכים דומים.

מאפיינים חשמליים של פרואלקטריק,שהם גבישים בודדים, נוצרים על סמך הסימטריה של סריג הגביש.

מבנה האנרגיה הרווחי ביותר מאופיין בכך שגבולות התחום בו הם ניטרליים מבחינה חשמלית. לפיכך, וקטור הקיטוב מוקרן על הגבול של תחום מסוים ושווה לאורכו. יחד עם זאת, הוא מנוגד בכיוון לוקטור הזהה מהצד של הדומיין הקרוב.

כתוצאה מכך, הפרמטרים החשמליים של התחומים נוצרים על בסיס סכימת ראש-זנב. ערכים ליניאריים של תחומים נקבעים. הם בטווח 10^-4-10^-1 see

קיטוב

בשל השדה החשמלי החיצוני, הווקטור של פעולות חשמליות של תחומים משתנה. לפיכך, נוצר קיטוב רב עוצמה של פרואלקטריות. כתוצאה מכך, הקבוע הדיאלקטרי מגיע לערכים עצומים.

הקיטוב של תחומים מוסבר על ידי מקורם והתפתחותם עקב שינוי הגבולות שלהם.

המבנה המצוין של הפרו-אלקטריות גורם לתלות עקיפה של האינדוקציה שלהם במידת המתח של השדה החיצוני. כאשר הוא חלש, הקשר בין המגזרים הוא ליניארי. מופיע קטע שבו מגבלות התחום מוזזות לפי עיקרון הפיך.

באזור של שדות רבי עוצמה, תהליך כזה הוא בלתי הפיך. במקביל, הסקטורים שעבורם וקטור SEP יוצר את הזווית המינימלית עם וקטור השדה גדלים. ובמתח מסוים, כל התחומים מסתדרים בדיוק לאורך המגרש. נוצר רוויה טכנית.

בתנאים כאלה, כאשר המתח מצטמצם לאפס, אין היפוך דומה באינדוקציה. היאמקבל את השארית D_r. אם הוא מושפע משדה בעל מטען הפוך, הוא יקטן במהירות וישנה את הווקטור שלו.

הפיתוח הבא של מתח מוביל שוב לרוויה טכנית. לפיכך, מסומנת התלות של הפרו-אלקטרי בהיפוך קיטוב בספקטרים משתנים. במקביל לתהליך זה מתרחשת היסטרזיס.

עוצמת הטווח E_r, שבו האינדוקציה עוברת דרך הערך האפס, היא כוח הכפייה.

תהליך היסטרזיס

עם זה, גבולות התחום מוזזים באופן בלתי הפיך בהשפעת התחום. המשמעות היא נוכחות של הפסדים דיאלקטריים עקב עלויות אנרגיה עבור סידור תחומים.

נוצרת כאן לולאת היסטרזיס.

השטח שלו מתאים לאנרגיה המושקעת בפרו-אלקטרי במחזור אחד. עקב הפסדים, נוצר בו הטנגנס של הזווית 0, 1.

לולאות היסטרזיס נוצרות בערכי משרעת שונים. יחד, הפסגות שלהם יוצרות את עקומת הקיטוב הראשית.

פעולות מדידה

הקבוע הדיאלקטרי של הפרו-אלקטריים של כמעט כל המחלקות שונה בערכים מוצקים אפילו בערכים הרחוקים מ-T_K.

המדידה שלו היא כדלקמן: שתי אלקטרודות מוחלות על הגביש. הקיבולת שלו נקבעת בטווח משתנה.

למעלהמחוונים T_K לחדירות יש תלות תרמית מסוימת. ניתן לחשב זאת על סמך חוק Curie-Weiss. הנוסחה הבאה פועלת כאן:

e=4pC / (T-Tc).

בתו, C הוא קבוע הקורי. מתחת לערכי מעבר, הוא יורד במהירות.

האות "e" בנוסחה פירושה אי-לינאריות, הקיימת כאן בספקטרום צר למדי עם מתח משתנה. בגלל זה וההיסטרזה, החדירות והנפח של הפרו-אלקטרי תלויים במצב הפעולה.

סוגי חדירות

חומר בתנאי הפעלה שונים של רכיב לא ליניארי משנה את איכויותיו. הסוגים הבאים של חדירות משמשים לאפיון אותם:

1. סטטיסטי (e_st). כדי לחשב אותו, נעשה שימוש בעקומת הקיטוב הראשית: e_st =D / (e₀E)=1 + P / (e 0_{E) » P / (e}0_E).
2. הפוך (e_p). מציין שינוי בקיטוב של הפרו-אלקטרי בטווח המשתנה בהשפעה מקבילה של שדה יציב.
3. Effective (e_ef). חושב מהזרם האמיתי I (מרמז על סוג לא-סינוסואידי) בשילוב עם הרכיב הלא ליניארי. במקרה זה, יש מתח פעיל U ותדר זוויתי w. הנוסחה פועלת: e_ef ~ C_ef =I / (wU).
4. ראשי תיבות. הוא נקבע בספקטרום חלש ביותר.

שני סוגים עיקריים של פירו-אלקטריק

אלו הם פרו-אלקטריקים ואנטי-פרואלקטריים. יש להםישנם מגזרי BOT - דומיינים.

בצורה הראשונה, תחום אחד יוצר כדור דה-פולריזציה סביב עצמו.

כאשר נוצרים הרבה דומיינים, זה פוחת. גם אנרגיית הדפולריזציה פוחתת, אך האנרגיה של קירות המגזר עולה. התהליך הושלם כאשר האינדיקטורים הללו נמצאים באותו סדר.

מהי ההתנהגות של ה-HSE כאשר הפרו-אלקטריקים נמצאים בכדור החיצוני, תואר לעיל.

Antiferroelectrics - הטמעה של לפחות שני רשתות משנה הממוקמות אחת בתוך השנייה. בכל אחד מהם, כיוון גורמי הדיפול מקביל. ואינדקס הדיפול המשותף שלהם הוא 0.

בספקטרום חלש, אנטי-פרואלקטריים מובחנים בסוג ליניארי של קיטוב. אבל ככל שעוצמת השדה עולה, הם יכולים לרכוש תנאים פרו-אלקטריים. פרמטרי שדה מתפתחים מ-0 ל-E_1. קיטוב גדל באופן ליניארי. בתנועה הפוכה היא כבר מתרחקת מהשדה - מתקבלת לולאה

כאשר נוצרת חוזק הטווח E_2, ferroelectric מומר לאנטיפוד שלו.

כאשר משנים את וקטור השדה E, המצב זהה. המשמעות היא שהעקומה סימטרית.

Antiferroelectric, חורג מסימן Curie, מקבל תנאים פאראלקטריים.

עם הגישה הנמוכה יותר לנקודה זו, החדירות מגיעה למקסימום מסוים. מעליו הוא משתנה בהתאם לנוסחת קירי-וייס. עם זאת, פרמטר החדירות המוחלט בנקודה המצוינת נחות מזה של פרואלקטריות.

במקרים רבים, אנטי-פרואלקטריים ישמבנה גבישי דומה לאנטיפודים שלהם. במצבים נדירים ועם תרכובות זהות, אך בטמפרטורות שונות, מופיעים שלבים של שני הפירואלקטרים.

האנטי-פרואלקטריים המפורסמים ביותר הם NaNbO_3, NH₄H₂P0 4 _{וכו'. המספר שלהם נמוך ממספר הפרו-אלקטריקים הנפוצים.}