Ferroelectrics ir Jēdziens, definīcija, īpašības un pielietojums

2024 Autors: Angel Austin | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-17 05:35

Ferroelektriskie elementi ir elementi ar spontānu elektrisko polarizāciju (SEP). Tās apvērsuma iniciatori var būt elektriskā diapazona E pielietojumi ar atbilstošiem parametriem un virziena vektoriem. Šo procesu sauc par repolarizāciju. To obligāti pavada histerēze.

Kopējās iezīmes

Ferroelectrics ir sastāvdaļas, kurām ir:

1. Kolosāla caurlaidība.
2. Jaudīgs pjezo modulis.
3. Cilpa.

Dzelzselektrisko elementu izmantošana tiek veikta daudzās nozarēs. Šeit ir daži piemēri:

1. Radiotehnika.
2. Kvantu elektronika.
3. Mērīšanas tehnoloģija.
4. Elektriskā akustika.

Ferroelektriskie elementi ir cietas vielas, kas nav metāli. Viņu pētījums ir visefektīvākais, ja to stāvoklis ir viens kristāls.

Spilgta specifika

Ir tikai trīs no šiem elementiem:

1. Atgriezeniska polarizācija.
2. Nelinearitāte.
3. Anomālas īpašības.

Daudzi feroelektriskie elementi pārstāj būt feroelektriski, kad tie atrodastemperatūras pārejas apstākļi. Šādus parametrus sauc par T_K. Vielas darbojas neparasti. To dielektriskā konstante strauji attīstās un sasniedz stabilu līmeni.

Klasifikācija

Viņa ir diezgan sarežģīta. Parasti tā galvenie aspekti ir elementu dizains un SEP veidošanās tehnoloģija saskarē ar to fāžu maiņas laikā. Šeit ir iedalījums divos veidos:

1. Ar nobīdi. To joni mainās fāzes kustības laikā.
2. Kārtība ir haoss. Līdzīgos apstākļos tajos ir sakārtoti sākotnējās fāzes dipoli.

Šīm sugām ir arī pasugas. Piemēram, neobjektīvus komponentus var iedalīt divās kategorijās: perovskīti un pseidoilmenīti.

Otrajam tipam ir iedalījums trīs klasēs:

1. Kālija dihidrogēnfosfāti (KDR) un sārmu metāli (piemēram, KH₂AsO₄ un KH_{2 PO}4 _).
2. Triglicīna sulfāti (THS): (NH₂CH₂COOH₃)× H ₂SO_4.
3. Šķidro kristālu sastāvdaļas

Perovskites

Šie elementi pastāv divos formātos:

1. Monokristāliska.
2. Keramika.

Tie satur skābekļa oktaedru, kas satur Ti jonu ar valenci 4-5.

Kad notiek paraelektriskā stadija, kristāli iegūst kubisku struktūru. Tādi joni kā Ba un Cd ir koncentrēti augšpusē. Un viņu skābekļa kolēģi ir novietoti seju vidū. Tā tas veidojasoktaedrs.

Kad šeit mainās titāna joni, tiek veikta SEP. Šādi feroelektriķi var radīt cietus maisījumus ar līdzīgas struktūras veidojumiem. Piemēram, PbTiO₃-PbZrO₃ . Tādējādi tiek iegūta keramika ar piemērotiem raksturlielumiem tādām ierīcēm kā varikondas, pjezo izpildmehānismi, pozistori utt.

Pseidoilmenīti

Tie atšķiras pēc romboedriskas konfigurācijas. To spilgtā specifika ir augsti Kirī temperatūras indikatori.

Tie arī ir kristāli. Parasti tos izmanto akustiskajos mehānismos augšējos lielos viļņos. Šādas ierīces raksturo to klātbūtne:

- rezonatori;

- filtri ar svītrām;

- augstas frekvences akustiski-optiskie modulatori;

- pirouztvērēji.

Tie tiek ieviesti arī elektroniskajās un optiskajās nelineārajās ierīcēs.

KDR un TGS

Pirmās noteiktās klases feroelektriķiem ir struktūra, kas sakārto protonus ūdeņraža kontaktos. SEP notiek, kad visi protoni ir kārtībā.

Šīs kategorijas elementi tiek izmantoti nelineārās optiskās ierīcēs un elektriskajā optikā.

Otrās kategorijas feroelektrikā protoni sakārtoti līdzīgi, pie glicīna molekulām veidojas tikai dipoli.

Šīs grupas komponenti tiek izmantoti ierobežotā apjomā. Parasti tajos ir pirouztvērēji.

Šķidro kristāla skati

Tiem ir raksturīga secībā sakārtotu polāro molekulu klātbūtne. Šeit skaidri izpaužas feroelektriķu galvenā specifika.

To optiskās īpašības ietekmē temperatūra un ārējā elektriskā spektra vektors.

Pamatojoties uz šiem faktoriem, šāda veida feroelektriskie elementi tiek izmantoti optiskajos sensoros, monitoros, baneros utt.

Atšķirības starp abām klasēm

Ferroelektriķi ir veidojumi ar joniem vai dipoliem. Viņiem ir būtiskas atšķirības to īpašībās. Tātad pirmie komponenti ūdenī nemaz nešķīst, bet tiem ir spēcīga mehāniskā izturība. Tie ir viegli veidojami polikristālu formātā, ja tiek darbināta keramikas sistēma.

Pēdējie viegli izšķīst ūdenī un tiem ir niecīgs stiprums. Tie ļauj no ūdens sastāviem veidot cietu parametru monokristālus.

Domēni

Lielākā daļa feroelektrisko elementu raksturlielumu ir atkarīgi no domēniem. Tādējādi pārslēgšanas strāvas parametrs ir cieši saistīts ar to uzvedību. Tie ir sastopami gan monokristālos, gan keramikā.

Feroelektriķu domēna struktūra ir makroskopisku izmēru sektors. Tajā patvaļīgās polarizācijas vektoram nav atšķirību. Un atšķirības no līdzīga vektora ir tikai blakus esošajos sektoros.

Domēni atdala sienas, kas var pārvietoties viena kristāla iekšējā telpā. Šajā gadījumā dažās jomās ir vērojams pieaugums un citu jomu samazinājums. Ja notiek repolarizācija, sektori attīstās sienu pārvietošanās vai līdzīgu procesu dēļ.

Dzelzselektrisko elementu elektriskās īpašības,kas ir atsevišķi kristāli, veidojas, pamatojoties uz kristāliskā režģa simetriju.

Izdevīgāko energostruktūru raksturo tas, ka domēna robežas tajā ir elektriski neitrālas. Tādējādi polarizācijas vektors tiek projicēts uz noteikta domēna robežas un ir vienāds ar tā garumu. Tajā pašā laikā tas ir pretējs virzienam identiskam vektoram no tuvākā domēna puses.

Līdz ar to domēnu elektriskie parametri tiek veidoti, pamatojoties uz head-tail shēmu. Tiek noteiktas domēnu lineārās vērtības. Tie ir diapazonā 10^-4-10^-1 sk.

Polarizācija

Ārējā elektriskā lauka ietekmē mainās domēnu elektrisko darbību vektors. Tādējādi rodas spēcīga feroelektriķu polarizācija. Rezultātā dielektriskā konstante sasniedz milzīgas vērtības.

Domēnu polarizācija ir izskaidrojama ar to izcelsmi un attīstību robežu maiņas dēļ.

Norādītā feroelektriķu struktūra izraisa to indukcijas netiešu atkarību no ārējā lauka sprieguma pakāpes. Ja tā ir vāja, attiecības starp sektoriem ir lineāras. Tiek parādīta sadaļa, kurā domēna ierobežojumi tiek pārvietoti saskaņā ar atgriezenisku principu.

Spēcīgo lauku zonā šāds process ir neatgriezenisks. Tajā pašā laikā aug sektori, kuriem SEP vektors veido minimālo leņķi ar lauka vektoru. Un pie noteikta spriedzes visi domēni sarindojas precīzi gar lauku. Veidojas tehniskais piesātinājums.

Šādos apstākļos, kad spriegums tiek samazināts līdz nullei, līdzīgas indukcijas maiņas nav. Viņa iriegūst atlikušo D_r. Ja to ietekmē lauks ar pretēju lādiņu, tas strauji samazināsies un mainīs savu vektoru.

Sekojošā spriedzes attīstība atkal noved pie tehniskā piesātinājuma. Tādējādi tiek apzīmēta feroelektriskā atkarība no polarizācijas maiņas dažādos spektros. Paralēli šim procesam notiek histerēze.

Intensitāte diapazonam E_r, , kurā indukcija seko caur nulles vērtību, ir piespiedu spēks.

Histerēzes process

Ar to domēna robežas tiek neatgriezeniski novirzītas lauka ietekmē. Tas nozīmē dielektrisko zudumu esamību enerģijas izmaksu dēļ domēnu izkārtojumam.

Šeit veidojas histerēzes cilpa.

Tās laukums atbilst feroelektriskajā vienā ciklā iztērētajai enerģijai. Zaudējumu dēļ tajā veidojas leņķa 0, 1 tangensa.

Histerēzes cilpas tiek izveidotas ar dažādām amplitūdas vērtībām. To virsotnes kopā veido galveno polarizācijas līkni.

Mērīšanas operācijas

Gandrīz visu klašu feroelektriķu dielektriskā konstante atšķiras cietvielu vērtībās pat vērtībās, kas ir tālu no T_K.

Tā mērījums ir šāds: kristālam tiek uzlikti divi elektrodi. Tā jauda ir noteikta mainīgā diapazonā.

Augšāindikatori T_K caurlaidībai ir noteikta termiskā atkarība. To var aprēķināt, pamatojoties uz Kirī-Veisa likumu. Šeit darbojas šāda formula:

e=4pC / (T-Tc).

Tajā C ir Kirī konstante. Zem pārejas vērtībām tas strauji samazinās.

Burts "e" formulā nozīmē nelinearitāti, kas šeit ir sastopama diezgan šaurā spektrā ar mainīgu spriegumu. Tā un histerēzes dēļ feroelektriskā caurlaidība un tilpums ir atkarīgs no darbības režīma.

Caurlaidības veidi

Materiāls dažādos nelineāra komponenta darbības apstākļos maina tā īpašības. To raksturošanai tiek izmantoti šādi caurlaidības veidi:

1. Statistikas (e_st). Lai to aprēķinātu, tiek izmantota galvenā polarizācijas līkne: e_st =D / (e₀E)=1 + P / (e 0_{E) » P / (e}0_E).
2. Reverss (e_p). Apzīmē feroelektriķa polarizācijas izmaiņas mainīgā diapazonā stabila lauka paralēlā ietekmē.
3. Efektīvs (e_ef). Aprēķināts no faktiskās strāvas I (nozīmē nesinusoidālu tipu), kas iet kopā ar nelineāro komponentu. Šajā gadījumā ir aktīvais spriegums U un leņķiskā frekvence w. Formula darbojas: e_ef ~ C_ef =I / (wU).
4. Sākotnējais. To nosaka ārkārtīgi vājos spektros.

Divi galvenie piroelektriskās ierīces veidi

Tie ir feroelektriskie un antiferoelektriskie elementi. Viņiem irir BOT sektori - domēni.

Pirmajā formā viens domēns veido ap sevi depolarizējošo sfēru.

Kad tiek izveidots daudz domēnu, tas samazinās. Arī depolarizācijas enerģija samazinās, bet sektora sienu enerģija palielinās. Process ir pabeigts, kad šie rādītāji ir vienā secībā.

Kāda ir HSE uzvedība, kad feroelektriskie elementi atrodas ārējā sfērā, tika aprakstīts iepriekš.

Antiferroelectrics - vismaz divu apakšrežģu asimilācija, kas novietotas viena otrai. Katrā no tiem dipola faktoru virziens ir paralēls. Un viņu kopējais dipola indekss ir 0.

Vājos spektros antiferoelektriķi izceļas ar lineāru polarizācijas veidu. Bet, palielinoties lauka stiprumam, tie var iegūt feroelektriskos apstākļus. Lauka parametri attīstās no 0 līdz E_1. Polarizācija pieaug lineāri. Reversā kustībā viņa jau attālinās no lauka - iegūta cilpa.

Kad veidojas diapazona stiprums E_2, feroelektriskais tiek pārveidots par tā antipodu.

Mainot lauka vektoru E, situācija ir identiska. Tas nozīmē, ka līkne ir simetriska.

Antiferroelectric, pārsniedzot Kirī zīmi, iegūst paraelektriskus apstākļus.

Ar zemāku pieeju šim punktam caurlaidība sasniedz noteiktu maksimumu. Virs tā tas mainās atbilstoši Kirī-Veisa formulai. Tomēr absolūtās caurlaidības parametrs norādītajā punktā ir zemāks par feroelektriķu parametru.

Daudzos gadījumos pretferoelektriskajiem līdzekļiem irkristāliskā struktūra, kas līdzīga to antipodiem. Retās situācijās un ar identiskiem savienojumiem, bet dažādās temperatūrās, parādās abu piroelektrisko elementu fāzes.

Slavenākie antiferroelektriskie līdzekļi ir NaNbO_3, NH₄H₂P0 4 _{utt. To skaits ir mazāks par parasto feroelektrisko ierīču skaitu.}