Сегнетоэлектрик
Сегнетоэлектричество (или катастрофа поляризации ) описывает явление, когда вещества с электрическим дипольным моментом изменяют направление спонтанной поляризации при приложении внешнего электрического поля .
Сегнетоэлектричество ранее называлось Seignette Electricity (реже Seignettesalzelektrizität ), так называемая соль Рошеля была открыта (тартрат калия-натрия).
характеристики
Сегнетоэлектричество возникает только в кристаллах, в которых кристаллическая симметрия допускает наличие полярной оси. В результате смещение разно-заряженных ионов в кристаллической решетке приводит к спонтанной поляризации. Электрическую поляризацию в сегнетоэлектриках можно обратить , приложив внешнее напряжение . Сегнетоэлектрические материалы всегда являются пироэлектрическими и, следовательно, также пьезоэлектрическими .
Приставка «Ферро-» относится не к свойству железа в сегнетоэлектриках, а к аналогии с ферромагнетизмом . Как в случае ферромагнитной намагниченности, так и в случае сегнетоэлектриков поляризация исчезает при высоких температурах (температура сегнетоэлектрика Кюри ) - тогда материал становится параэлектрическим . Выше этой температуры, электрическая восприимчивость следует по закону Кюри-Вейсса, аналогичную магнитной восприимчивости . Когда материал охлаждается, происходит фазовый переход, когда температура падает ниже температуры Кюри, что обычно совпадает со структурным изменением (снижением симметрии кристалла), и материал снова становится сегнетоэлектрическим . Относительная диэлектрическая проницаемость значительно увеличивается при более низких температурах; при 4 К она часто в 10-20 раз превышает значение при комнатной температуре и может достигать значений выше 10 6 .
Сегнетоэлектрические кристаллы образуют домены , т.е. области с одинаковым направлением поляризации. Направление поляризации меняется от домена к домену в области нескольких атомных слоев, в которых поляризация исчезает. Сегнетоэлектрические доменные стенки имеют ширину всего несколько нанометров . Напротив, в ферромагнетизме ориентация намагниченности постепенно изменяется в диапазоне 10 нм и более. Из-за более узких доменных границ домены с различной ориентацией в тонких сегнетоэлектрических пленках могут иметь более высокую плотность, чем в тонких ферромагнитных пленках. Поэтому есть надежда, что разработка сегнетоэлектрических носителей информации позволит достичь более высокой максимальной плотности информации, чем ферромагнитные. Поляризацию можно обратить , приложив внешнее электрическое поле , как показано на соседнем рисунке, и тем самым будет следовать кривой гистерезиса .
Но есть также сегнетоэлектрические и антисегнетоэлектрические вещества, подобные магнитным материалам. Суперпозиция нескольких подсеток упорядоченных электрических диполей характеризуется антисегнетоэлектрическим упорядочением. Эта суперпозиция имеет противоположную, но столь же сильную электрическую поляризацию. Соответственно, макроскопическая полная поляризация .
Каждое антисегнетоэлектрическое вещество имеет температуру Кюри . Выше этой температуры обе частичные сетки полностью эквивалентны и неполяризованы. Однако может случиться так, что антипараллельные дипольные моменты подрешеток не компенсируют друг друга полностью. В результате получается конечная поляризация . В данном случае это трехвалентное электричество .
заявление
Сегнетоэлектрики используются для изготовления высокоточных механических приводов ( элементов скольжения). Используя обратный пьезоэлектрический эффект, возможны смещения с разрешением меньше атомного диаметра. Они используются, например, в атомно-силовых микроскопах , сканирующих туннельных микроскопах или других сканирующих зондовых микроскопах .
Сегнетоэлектрики обычно имеют относительную диэлектрическую проницаемость от высокой до очень высокой ( ) в диапазоне от 100 до 100000, поэтому они используются в качестве материала для керамических конденсаторов с большой объемной емкостью. Они все чаще заменяют электролитические конденсаторы и характеризуются низкими эквивалентными последовательными сопротивлениями и индуктивностями (ESR и ESL). Однако сильная температурная зависимость, большие допуски и высокие коэффициенты диэлектрических потерь являются недостатками . Эта высокая диэлектрическая проницаемость также делает их интересными в полупроводниковой технологии , где для небольших схем памяти ( RAM ) требуются большие емкости в очень маленьком пространстве . Основное преимущество использования так называемой FeRAM ( сегнетоэлектрической RAM ) заключается в том, что она не теряет своего состояния заряда по сравнению с DRAM , которые в основном используются в настоящее время (2008) . В данном случае говорят о энергонезависимой памяти ( NVRAM ). Еще одно направление исследований - использование сегнетоэлектриков в качестве так называемых high-k диэлектриков . В частности, перовскиты могут в будущем заменить диоксид кремния в качестве диэлектрика затвора полевых транзисторов в интегральных схемах . Благодаря постоянной поляризуемости они могут использоваться в качестве электретов , например, Б. в датчиках и микрофонах.
Примеры
Самыми известными сегнетоэлектриками являются ионные кристаллы со структурой перовскита, такие как:
- Титанат бария BaTiO 3 (Аббревиатура: BTO)
- Цирконат титанат свинца Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 (PZT) - часто используется для производства пьезомеханических приводов.
Кроме того, следующие вещества также являются сегнетоэлектриками, но иногда только в виде тонких слоев :
- Танталат стронция висмута SrBi 2 Ta 2 O 9 (SBT)
- Титанат висмута Bi 4 Ti 3 O 12 (BIT, также вводящий в заблуждение BTO)
- Титанат висмута и лантана Bi 4-x La x Ti 3 O 12 (BLT)
- Титанат висмута ниобат Bi 3 TiNbO 9 (БТН)
- Титанат стронция SrTiO 3 (STO)
- Титанат бария-стронция Ba x Sr 1-x TiO 3 (BST)
- Нитрит натрия NaNO 2
- Ниобат лития LiNbO 3
- Тетрагидрат тартрата калия ( соль Сеньет) KNaC 4 H 4 O 6 · 4 H 2 O
Гексагональные манганаты RMnO 3 с R = Sc, Y, In, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu.
Также обнаружены органические сегнетоэлектрики:
- 1,1-ди (карбоксиметил) циклогексан или
- Сульфат триглицина (CH 2 NH 2 COOH) 3 H 2 SO 4 (TGS)
- Поливинилиденфторид (PVDF) или сополимер поли (винилиденфторид-трифторэтилен) P (VDF-TrFE)
Хорошо известными антисегнетоэлектриками являются дигидрофосфат аммония (ADP) или некоторые вещества со структурой перовскита, такие как:
- Цирконат свинца ( )
- Ниобат натрия
- Свинец аффнат
литература
- Ганс Фишер: Материалы в электротехнике. 2-е издание, Carl Hanser Verlag, Мюнхен / Вена, 1982 ISBN 3-446-13553-7 .
- Хорст Штёкер: Карманная книга по физике. 4-е издание, Verlag Harry Deutsch, Франкфурт-на-Майне 2000, ISBN 3-8171-1628-4 .
- Рудольф Гросс, Ахим Маркс: Физика твердого тела. 3-е издание, De Gruyter Studium, Берлин / Бостон 2018, ISBN 978-3-11-055822-7 .
Индивидуальные доказательства
- ↑ Seignette электричество. В: Брокгауз. 2003 г.
- ↑ Маркус Аспельмейер: Влияние внешних полей на структуру и морфологию границ раздела тонких сегнетоэлектрических пленок . Мюнхен, Университет Людвига Максимилиана 2002 ( архивный сервер deposit.d-nb.de - диссертация).
- ^ Л. Дж. Гауклер и К. Кондер: Керамика 2. Сценарий лекции . ETH Zurich, стр. 37 ( nonmet.mat.ethz.ch [PDF; 7.1 МБ ]).
- ↑ Накамура, К. и Вада, Ю. (1971). Пьезоэлектричество, пироэлектричество и электрострикционная постоянная поливинилиденфторида. Journal of Polymer Science Part A-2: Polymer Physics, 9 (1): 161-173.