Ferroelektryk - Polski Serwis Naukowy

Ferroelektryki – dielektryki, które wykazują pętle histerezy w zewnętrznym polu elektrycznym. Wskutek występowania spontanicznie spolaryzowanych obszarów (domen) ferroelektryki mają bardzo dużą przenikalność elektryczną.

Ferroelektryki stanowią podgrupę piroelektryków, wszystkie są też piezoelektrykami. Są dielektrykami nieliniowymi, co oznacza, że polaryzacja dielektryczna zależy od zewnętrznego pola elektrycznego w sposób nieliniowy. Charakterystyczna dla wszystkich ferroelektryków jest pętla histerezy dielektrycznej.

Względna przenikalność elektryczna ośrodka jest to bezwymiarowa wielkość określająca ilokrotnie przenikalność elektryczna danego ośrodka ε jest większa od przenikalności elektrycznej próżni ε0

Wyświetlacz ciekłokrystaliczny, LCD (ang. Liquid Crystal Display) – urządzenie wyświetlające obraz, którego zasada działania oparta jest na zmianie polaryzacji światła na skutek zmian orientacji cząsteczek ciekłego kryształu pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego.

Historia

Pierwszym odkrytym ferroelektrykiem była sól Seignette'a, stąd też dawna nazwa ferroelektryków - segnetoelektryki. Odkrycia tego dokonał w 1920 J.Valasek. W tym czasie były już znane ferromagnetyki – dlatego użyto przedrostka ferro który oznacza żelazo mimo że ferroelektryki zawierające żelazo są bardzo nieliczne.

Pole elektryczne – stan przestrzeni otaczającej ładunki elektryczne lub zmienne pole magnetyczne. W polu elektrycznym na ładunek elektryczny działa siła elektrostatyczna.

Tytanian baru, BaTiO3 - związek chemiczny, sól nieorganiczna tytanu i baru. Materiał ceramiczny o właściwościach ferroelektrycznych (z wyłączeniem tytanianu o regularnym układzie krystalicznym), piezoelektrycznych i fotorefraktywnych. Jego temperatura Curie wynosi 120°C. W zależności od temperatury posiada różny układ krystalograficzny: heksagonalny, regularny, tetragonalny, rombowy lub trygonalny. W naturze występuje wyjątkowo rzadko, jako inkluzja w benitoicie.

Budowa i właściwości

Charakterystyczna dla ferroelektryka zależność wartości wektora polaryzacji dielektrycznej P od natężenia zewnętrznego pola elektrycznego E wykazująca histerezę.

Właściwości dielektryczne ferroelektryków szczególnie silnie zależą od temperatury. Poniżej temperatury krytycznej zwanej Temperaturą Curie, substancje te wykazują bardzo dużą przenikalność elektryczną, nieliniowość i histerezę. Przy zbliżaniu się do temperatury Curie przenikalność rośnie, często do bardzo dużej wielkości. Powyżej tej temperatury zanika polaryzacja spontaniczna, a przenikalność zaczyna stopniowo spadać zgodnie z prawem Curie-Weissa.

Piezoelektryki lub materiały piezoelektryczne - kryształy, w których obserwowane jest zjawisko piezoelektryczne. Mogą to być zarówno monokryształy (np. kwarc) jak i polikryształy, które nie mają swojego środka symetrii. Piezoelektryki wykorzystywane są w różnych dziedzinach nauki i techniki. Najbardziej popularne zastosowania to:

Histereza – w naukach przyrodniczych, zjawisko zależności aktualnego stanu układu od stanów w poprzedzających chwilach. Inaczej – opóźnienie w reakcji na czynnik zewnętrzny. Zjawisko odkrył i nazwał James Alfred Ewing w roku 1890. Termin ten zapożyczony został także przez nauki społeczne.

Zastosowanie ferroelektryków

Kondensator z dielektrykiem ceramicznym (5) umieszczonym między okładkami (4).

Ze względu na bardzo dużą przenikalność dielektryczną ferroelektryki znajdują zastosowanie w kondensatorach o dużej pojemności. Często wykorzystywane są w tym celu ceramiki oparte na tytanianie baru, zwykle zawierające również inne związki ferroelektryczne o podobnej strukturze. Ponadto są one używane w miernikach natężenia pola elektrycznego oraz układach techniki impulsowej.

Dielektryk, izolator elektryczny – materiał, w którym bardzo słabo przewodzony jest prąd elektryczny. Może to być rezultatem niskiej koncentracji ładunków swobodnych, niskiej ich ruchliwości, lub obu tych czynników równocześnie. Oporność właściwa dielektryków jest większa od 106 Ωm (dla dobrych przewodników, np. metali, wynosi 10−8–10−6 Ωm).

Temperatura Curie (oznaczana TC) - temperatura, powyżej której ferromagnetyk gwałtownie traci swoje właściwości magnetyczne i staje się paramagnetykiem, zjawisko to wynika ze zmiany fazy ciała stałego. Nazwa pochodzi od nazwiska francuskiego fizyka Piotra Curie, męża Marii Skłodowskiej-Curie.

Ferroelektryki używane są również do produkcji nieulotnej ferroelektrycznej pamięci RAM, w skrócie FRAM lub FeRAM.

Istnieją również ferroelektryki ciekłokrystaliczne. Zostały one odkryte w roku 1979. W ostatnich latach intensywnie poszukiwane i badane są nowe ferroelektryki ciekłokrystaliczne ze względu na ich dynamicznie rosnące zastosowanie w wyświetlaczach ciekłokrystalicznych (np. monitorach LCD).

FRAM (FeRAM, Ferroelectric RAM) – typ pamięci nieulotnej opartej na nośniku krystalicznym - kryształach roztworu stałego cyrkonianu i tytanianu ołowiu (materiały typu perowskitu). Kryszały te zawierają wewnątrz siatki atomy o dwóch stabilnych pozycjach. Przyłożenie napięcia o odpowiedniej polaryzacji wymusza zmianę pozycji atomu. Odczyt polega na pomiarze pochłanianej energii po kolejnym przyłożeniu napięcia – wiąże się to z koniecznością regeneracji zapisu w komórce.

Ważnym obszarem zastosowań ferroelektryków są urządzenia mikrofalowe. Zmiana stałej dielektrycznej pod wpływem przyłożonego napięcia umożliwia budowę elektronicznie przestrajanych anten i filtrów.

Przypisy

T. Krajewski, Zagadnienia..., str. 129-130.
J. Antoniewicz, Własności..., str. 630-635
F-RAM Memory Technology. [dostęp 2010-12-28]..

Bibliografia

M.A Herman, A. Kalestyński, L. Widomski: Podstawy fizyki dla kandydatów na wyższe uczelnie i studentów. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2004. ISBN 978-83-01-14269-3.
Teodor Krajewski (red.): Zagadnienia fizyki dielektryków : praca zbiorowa. Warszawa: Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, 1970.
Jerzy Antoniewicz: Własności dielektryków. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo Techniczne, 1971.