Ferroelectrics ay Konsepto, kahulugan, katangian at aplikasyon

2024 May -akda: Angel Austin | [email protected]. Huling binago: 2023-12-17 05:44

Ang

Ferroelectrics ay mga elementong may spontaneous electric polarization (SEP). Ang mga nagpasimula ng pagbabalik nito ay maaaring mga aplikasyon ng electrical range E na may naaangkop na mga parameter at mga vector ng direksyon. Ang prosesong ito ay tinatawag na repolarization. Ito ay kinakailangang sinamahan ng hysteresis.

Mga karaniwang feature

Ferroelectrics ay mga sangkap na mayroong:

1. Colossal permittivity.
2. Makapangyarihang piezo module.
3. Loop.

Ang paggamit ng ferroelectrics ay isinasagawa sa maraming industriya. Narito ang ilang halimbawa:

1. Radio engineering.
2. Quantum electronics.
3. Teknolohiya sa pagsukat.
4. Mga electric acoustics.

Ang

Ferroelectrics ay mga solidong hindi metal. Ang kanilang pag-aaral ay pinaka-epektibo kapag ang kanilang estado ay isang kristal.

Maliwanag na mga detalye

Mayroong tatlo lamang sa mga elementong ito:

1. Mababalik na polarization.
2. Nonlinearity.
3. Maanomalyang katangian.

Maraming ferroelectrics ang huminto sa pagiging ferroelectric kapag sila ay nasamga kondisyon ng paglipat ng temperatura. Ang mga naturang parameter ay tinatawag na T_K. Ang mga sangkap ay kumikilos nang abnormal. Ang kanilang dielectric constant ay mabilis na umuunlad at umabot sa solidong antas.

Pag-uuri

Medyo kumplikado siya. Karaniwan ang mga pangunahing aspeto nito ay ang disenyo ng mga elemento at ang teknolohiya ng pagbuo ng SEP na nakikipag-ugnay dito sa panahon ng pagbabago ng mga yugto. Dito ay may dibisyon sa dalawang uri:

1. Pagkakaroon ng offset. Ang kanilang mga ion ay nagbabago sa panahon ng paggalaw ng bahagi.
2. Magulo ang order. Sa ilalim ng mga katulad na kundisyon, ang mga dipoles ng unang bahagi ay nakaayos sa kanila.

May mga subspecies din ang mga species na ito. Halimbawa, nahahati sa dalawang kategorya ang mga biased na bahagi: perovskites at pseudo-ilmenites.

Ang pangalawang uri ay may dibisyon sa tatlong klase:

1. Potassium dihydrogen phosphates (KDR) at alkali metals (hal. KH₂AsO₄ at KH_{2 PO}4 _).
2. Triglycine sulfates (THS): (NH₂CH₂COOH₃)× H ₂SO_4.
3. Mga bahagi ng likidong kristal

Perovskite

Ang mga elementong ito ay umiiral sa dalawang format:

1. Monocrystalline.
2. Ceramic.

Naglalaman ang mga ito ng oxygen octahedron, na naglalaman ng Ti ion na may valence na 4-5.

Kapag nangyari ang paraelectric stage, ang mga kristal ay nakakakuha ng cubic structure. Ang mga ions tulad ng Ba at Cd ay puro sa itaas. At ang kanilang mga katapat na oxygen ay nakaposisyon sa gitna ng mga mukha. Ito ay kung paano ito nabuooctahedron.

Kapag nagbago ang mga titanium ions dito, ginagawa ang SEP. Ang ganitong mga ferroelectric ay maaaring lumikha ng mga solidong mixture na may mga pormasyon ng isang katulad na istraktura. Halimbawa, PbTiO₃-PbZrO₃ . Nagreresulta ito sa mga ceramics na may mga angkop na katangian para sa mga device gaya ng varicondas, piezo actuator, posistor, atbp.

Pseudo-ilmenites

Magkaiba sila sa rhombohedral configuration. Ang kanilang maliwanag na specificity ay mataas na Curie temperature indicator.

Mga kristal din sila. Bilang isang patakaran, ginagamit ang mga ito sa mga mekanismo ng acoustic sa itaas na malalaking alon. Ang mga sumusunod na device ay nailalarawan sa pamamagitan ng kanilang presensya:

- resonator;

- mga filter na may mga guhit;

- high frequency acousto-optic modulators;

- mga pyro receiver.

Ipinapasok din ang mga ito sa mga electronic at optical na non-linear na device.

KDR at TGS

Ferroelectrics ng unang itinalagang klase ay may istraktura na nag-aayos ng mga proton sa hydrogen contact. Ang SEP ay nangyayari kapag ang lahat ng mga proton ay nasa ayos.

Ang mga elemento ng kategoryang ito ay ginagamit sa mga non-linear na optical device at sa electrical optics.

Sa ferroelectrics ng pangalawang kategorya, ang mga proton ay nakaayos nang katulad, ang mga dipoles lamang ang nabuo malapit sa mga glycine molecule.

Ang mga bahagi ng pangkat na ito ay ginagamit sa limitadong lawak. Kadalasan ay naglalaman ang mga ito ng mga pyro receiver.

Liquid crystal view

Nailalarawan ang mga ito sa pagkakaroon ng mga polar molecule na nakaayos sa pagkakasunud-sunod. Dito, malinaw na ipinakita ang mga pangunahing detalye ng ferroelectrics.

Ang kanilang mga optical na katangian ay apektado ng temperatura at ng vector ng panlabas na electric spectrum.

Batay sa mga salik na ito, ang paggamit ng ganitong uri ng ferroelectric ay ipinapatupad sa mga optical sensor, monitor, banner, atbp.

Mga pagkakaiba sa pagitan ng dalawang klase

Ang

Ferroelectrics ay mga pormasyon na may mga ion o dipoles. Mayroon silang makabuluhang pagkakaiba sa kanilang mga katangian. Kaya, ang mga unang bahagi ay hindi natutunaw sa tubig, ngunit mayroon silang malakas na lakas ng makina. Madaling mabuo ang mga ito sa polycrystal na format sa kondisyon na ang ceramic system ay pinapatakbo.

Ang huli ay madaling matunaw sa tubig at may kaunting lakas. Pinapayagan ng mga ito ang pagbuo ng mga solong kristal ng mga solidong parameter mula sa mga may tubig na komposisyon.

Domains

Karamihan sa mga katangian ng ferroelectrics ay nakadepende sa mga domain. Kaya, ang switching kasalukuyang parameter ay malapit na nauugnay sa kanilang pag-uugali. Matatagpuan ang mga ito sa iisang kristal at sa mga keramika.

Ang istruktura ng domain ng ferroelectrics ay isang sektor ng mga macroscopic na dimensyon. Sa loob nito, ang vector ng arbitrary na polariseysyon ay walang mga pagkakaiba. At mayroon lamang mga pagkakaiba mula sa isang katulad na vector sa mga kalapit na sektor.

Domains magkahiwalay na pader na maaaring gumalaw sa panloob na espasyo ng iisang kristal. Sa kasong ito, mayroong pagtaas sa ilan at pagbaba sa iba pang mga domain. Kapag may repolarization, umuunlad ang mga sektor dahil sa displacement ng mga pader o mga katulad na proseso.

Mga katangiang elektrikal ng ferroelectrics,na mga solong kristal, ay nabuo batay sa simetrya ng kristal na sala-sala.

Ang pinaka kumikitang istraktura ng enerhiya ay nailalarawan sa katotohanan na ang mga hangganan ng domain dito ay neutral sa kuryente. Kaya, ang polarization vector ay inaasahang papunta sa hangganan ng isang partikular na domain at katumbas ng haba nito. Kasabay nito, ito ay kabaligtaran ng direksyon sa kaparehong vector mula sa gilid ng pinakamalapit na domain.

Dahil dito, ang mga electrical parameter ng mga domain ay nabuo batay sa head-tail scheme. Natutukoy ang mga linear na halaga ng mga domain. Ang mga ito ay nasa hanay na 10^-4-10^-1 tingnan ang

Polarization

Dahil sa external na electric field, nagbabago ang vector ng mga electric action ng mga domain. Kaya, isang malakas na polariseysyon ng ferroelectrics arises. Bilang resulta, ang dielectric constant ay umaabot sa malalaking halaga.

Ang polarization ng mga domain ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng kanilang pinagmulan at pag-unlad dahil sa pagbabago ng kanilang mga hangganan.

Ang ipinahiwatig na istraktura ng ferroelectrics ay nagdudulot ng hindi direktang pag-asa ng kanilang induction sa antas ng boltahe ng panlabas na field. Kapag ito ay mahina, ang relasyon sa pagitan ng mga sektor ay linear. Lumilitaw ang isang seksyon kung saan inililipat ang mga limitasyon ng domain ayon sa isang nababagong prinsipyo.

Sa zone ng malalakas na larangan, hindi na mababawi ang ganitong proseso. Kasabay nito, ang mga sektor kung saan ang SEP vector ay bumubuo ng pinakamababang anggulo na may field vector na lumalaki. At sa isang tiyak na pag-igting, ang lahat ng mga domain ay eksaktong pumila sa kahabaan ng field. Binubuo ang teknikal na saturation.

Sa ilalim ng ganitong mga kundisyon, kapag ang tensyon ay nabawasan sa zero, walang katulad na pagbaliktad ng induction. Siya aynakakakuha ng natitirang D_r. Kung maaapektuhan ito ng isang field na may kabaligtaran na singil, mabilis itong bababa at babaguhin ang vector nito.

Ang kasunod na pag-unlad ng tensyon ay muling humahantong sa teknikal na saturation. Kaya, ang pag-asa ng ferroelectric sa polarization reversal sa iba't ibang spectra ay tinutukoy. Kasabay ng prosesong ito, nangyayari ang hysteresis.

Ang intensity ng range E_r, kung saan sinusundan ng induction ang zero value, ay ang puwersang mapilit.

Proseso ng Hysteresis

Gamit nito, ang mga hangganan ng domain ay hindi na maibabalik sa ilalim ng impluwensya ng field. Nangangahulugan ito ng pagkakaroon ng mga pagkawala ng dielectric dahil sa mga gastos sa enerhiya para sa pag-aayos ng mga domain.

May nabuong hysteresis loop dito.

Ang lugar nito ay tumutugma sa enerhiya na ginugol sa ferroelectric sa isang cycle. Dahil sa mga pagkalugi, ang tangent ng anggulo 0, 1 ay nabuo dito.

Hysteresis loop ay ginawa sa iba't ibang mga halaga ng amplitude. Magkasama, ang kanilang mga taluktok ay bumubuo sa pangunahing polarization curve.

Mga pagpapatakbo ng pagsukat

Ang dielectric constant ng ferroelectrics ng halos lahat ng klase ay naiiba sa solid values kahit na sa mga value na malayo sa T_K.

Ang pagsukat nito ay ang mga sumusunod: dalawang electrodes ang inilapat sa kristal. Tinutukoy ang kapasidad nito sa isang variable range.

Sa itaasmga indicator T_K permeability ay may partikular na thermal dependence. Ito ay maaaring kalkulahin batay sa batas ng Curie-Weiss. Gumagana dito ang sumusunod na formula:

e=4pC / (T-Tc).

Sa loob nito, ang C ay ang Curie constant. Mas mababa sa mga transitional value, mabilis itong bumaba.

Ang letrang "e" sa formula ay nangangahulugang non-linearity, na makikita dito sa medyo makitid na spectrum na may nagbabagong boltahe. Dahil dito at sa hysteresis, nakadepende ang permeability at volume ng ferroelectric sa operating mode.

Mga uri ng permeability

Ang

Material sa ilalim ng iba't ibang kundisyon ng pagpapatakbo ng isang non-linear na bahagi ay nagbabago sa mga katangian nito. Ang mga sumusunod na uri ng permeability ay ginagamit upang makilala ang mga ito:

1. Statistical (e_st). Para kalkulahin ito, ginagamit ang pangunahing polarization curve: e_st =D / (e₀E)=1 + P / (e 0_{E) » P / (e}0_E).
2. Baliktarin (e_p). Nagsasaad ng pagbabago sa polarization ng ferroelectric sa variable range sa ilalim ng parallel na impluwensya ng isang stable na field.
3. Epektibo (e_ef). Kinakalkula mula sa aktwal na kasalukuyang I (nagpapahiwatig ng hindi-sinusoidal na uri) na kasabay ng hindi linear na bahagi. Sa kasong ito, mayroong isang aktibong boltahe U at isang angular frequency w. Gumagana ang formula: e_ef ~ C_ef =I / (wU).
4. Initial. Ito ay tinutukoy sa napakahinang spectra.

Dalawang pangunahing uri ng pyroelectrics

Ito ay mga ferroelectric at antiferroelectrics. Meron silamay mga sektor ng BOT - mga domain.

Sa unang anyo, ang isang domain ay bumubuo ng depolarizing sphere sa paligid nito.

Kapag maraming domain ang ginawa, bumababa ito. Ang enerhiya ng depolarization ay bumababa din, ngunit ang enerhiya ng mga pader ng sektor ay tumataas. Nakumpleto ang proseso kapag ang mga indicator na ito ay nasa parehong pagkakasunud-sunod.

Ano ang pag-uugali ng HSE kapag ang ferroelectrics ay nasa outer sphere, ay inilarawan sa itaas.

Antiferroelectrics - assimilation ng hindi bababa sa dalawang sublattices na inilagay sa loob ng isa't isa. Sa bawat isa, ang direksyon ng mga kadahilanan ng dipole ay parallel. At ang kanilang karaniwang dipole index ay 0.

Sa mahinang spectra, ang mga antiferroelectric ay nakikilala sa pamamagitan ng isang linear na uri ng polarization. Ngunit habang tumataas ang lakas ng field, maaari silang makakuha ng mga kondisyon ng ferroelectric. Ang mga parameter ng field ay bubuo mula 0 hanggang E_1. Polarization ay lumalaki nang linearly. Sa reverse movement, lumalayo na siya sa field - isang loop ang nakuha.

Kapag nabuo ang lakas ng range na E_{2, ang} ferroelectric ay kino-convert sa antipode nito.

Kapag binago ang field vector E, magkapareho ang sitwasyon. Ibig sabihin, simetriko ang curve.

Antiferroelectric, na lumalampas sa markang Curie, ay nakakakuha ng mga kundisyon ng paraelectric.

Sa mas mababang diskarte sa puntong ito, ang permeability ay umaabot sa isang tiyak na maximum. Sa itaas nito, nag-iiba ito ayon sa formula ng Curie-Weiss. Gayunpaman, ang parameter ng absolute permeability sa ipinahiwatig na punto ay mas mababa kaysa sa ferroelectrics.

Sa maraming kaso, mayroon ang mga antiferroelectricmala-kristal na istraktura na katulad ng kanilang mga antipode. Sa mga bihirang sitwasyon at may magkaparehong compound, ngunit sa magkaibang temperatura, lumilitaw ang mga phase ng parehong pyroelectrics.

Ang pinakasikat na antiferroelectrics ay ang NaNbO_3, NH₄H₂P0 4 _{etc. Ang kanilang numero ay mas mababa sa bilang ng mga karaniwang ferroelectrics.}