Dielektrische und ferroelektrische Materialien

Dielektrische und ferroelektrische Materialien sind Isolatoren, die sich in einem elektrischen Feld polarisieren; Ferroelektrika besitzen zusätzlich eine spontane Polarisation, die schaltbar ist, was ihnen eine hohe Permittivität, piezoelektrische Kopplung und Gedächtnisverhalten verleiht.

Definition

Ein Dielektrikum ist ein isolierendes Material, das in einem angelegten Feld eine elektrische Polarisation entwickelt; ein Ferroelektrikum ist ein Dielektrikum mit einer spontanen Polarisation, die aus einer nicht-zentrosymmetrischen Struktur resultiert und durch ein externes Feld umgekehrt werden kann.

Scope

Dieses Thema behandelt die Chemie polarisierbarer Isolatoren: die Mechanismen der dielektrischen Polarisation und Permittivität, die Symmetrieanforderungen für Piezoelektrizität und die spontane, schaltbare Polarisation von Ferroelektrika, veranschaulicht durch Perowskit-Titanate wie Bariumtitanat. Es behandelt den Curie-Übergang zwischen ferroelektrischen und paraelektrischen Zuständen, Domänen und Hysterese sowie die Abstimmung dieser Oxide durch die Zusammensetzung für Kondensatoren, Aktuatoren, Sensoren und Speicher.

Core questions

• Welche Mechanismen verleihen einem Dielektrikum seine Permittivität?
• Welche Kristallsymmetrie ist für Piezoelektrizität und Ferroelektrizität erforderlich?
• Wie entsteht und schaltet sich die spontane Polarisation in einem Ferroelektrikum?
• Wie verbindet der Curie-Übergang ferroelektrische und paraelektrische Zustände?

Key concepts

• Dielektrische Permittivität
• Elektronische, ionische und dipolare Polarisation
• Piezoelektrizität
• Spontane Polarisation
• Curie-Temperatur
• Ferroelektrische Domänen und Hysterese

Key theories

Polarisationsmechanismen und Permittivität

Ein angelegtes Feld verschiebt Ladung in einem Dielektrikum durch elektronische, ionische und dipolare Polarisation, speichert Energie und erhöht die effektive Kapazität; die Größe und der Frequenzgang der Permittivität spiegeln wider, welche Mechanismen wirken.

Ferroelektrizität durch polare Verzerrung

Unterhalb der Curie-Temperatur nehmen Perowskite wie Bariumtitanat eine nicht-zentrosymmetrische Struktur mit einer spontanen, schaltbaren Polarisation an; die damit verbundene Soft-Mode-Verzerrung führt zu einer sehr hohen Permittivität und der piezoelektrischen Kopplung, die in Geräten genutzt wird.

Mechanisms

In ferroelektrischen Perowskiten erzeugt eine kleine außermittige Verschiebung des Kations einen Dipol; unterhalb der Curie-Temperatur richten sich diese Dipole zu Domänen aus, was eine spontane Polarisation bewirkt, und ein angelegtes Feld richtet die Domänen neu aus, wodurch die Hystereseschleife und die starke piezoelektrische Dehnung, die in Geräten verwendet wird, entstehen.

Clinical relevance

Dielektrische und ferroelektrische Materialien bilden die Grundlage für mehrschichtige Keramikkondensatoren, piezoelektrische Sensoren, Aktuatoren und Ultraschallwandler, ferroelektrische und hochpermittivitäts-Gate-Dielektrika in der Mikroelektronik sowie nichtflüchtige ferroelektrische Speicher, wobei die Zusammensetzung zur Einstellung von Permittivität, Curie-Temperatur und Kopplung gewählt wird.

History

Die Piezoelektrizität wurde 1880 von den Brüdern Curie entdeckt, und die Ferroelektrizität wurde erstmals in den 1920er Jahren im Rochelle-Salz erkannt. Die kriegsbedingte Entdeckung der Ferroelektrizität in Bariumtitanat und Megaws Strukturstudien seiner Perowskit-Verzerrung etablierten die Oxid-Ferroelektrika, die heute elektrokeramische Kondensatoren und piezoelektrische Geräte dominieren.

Key figures

• Jacques Curie
• Pierre Curie
• Helen Megaw

Seminal works

• moulson2003
• callister2018

Frequently asked questions

Was ist der Unterschied zwischen einem Dielektrikum und einem Ferroelektrikum?

Alle Ferroelektrika sind Dielektrika, aber ein gewöhnliches Dielektrikum polarisiert nur, solange ein Feld angelegt ist, und kehrt bei dessen Entfernung zu einer Nullpolarisation zurück. Ein Ferroelektrikum besitzt auch ohne Feld eine spontane Polarisation, und diese Polarisation kann zwischen stabilen Orientierungen umgeschaltet werden, was Gedächtnis und Hysterese ermöglicht.

Warum verliert ein Ferroelektrikum seine besonderen Eigenschaften beim Erhitzen?

Oberhalb seiner Curie-Temperatur wandelt sich ein Ferroelektrikum in eine höher-symmetrische, zentrosymmetrische paraelektrische Struktur um, in der die polare Verzerrung verschwindet. Ohne spontane Polarisation verschwinden ferroelektrisches und piezoelektrisches Verhalten, bis das Material wieder unter den Curie-Punkt abgekühlt wird.