Bahan Dielektrik dan Ferroelektrik

Bahan dielektrik dan ferroelektrik adalah isolator yang mengalami polarisasi dalam medan listrik; ferroelektrik memiliki polarisasi spontan tambahan yang dapat diubah, memberikan permitivitas tinggi, kopling piezoelektrik, dan perilaku memori.

Definition

Dielektrik adalah bahan isolasi yang mengembangkan polarisasi listrik dalam medan yang diterapkan; ferroelektrik adalah dielektrik dengan polarisasi spontan, yang timbul dari struktur non-sentrosimetris, yang dapat dibalik oleh medan eksternal.

Scope

Topik ini mencakup kimia isolator yang dapat dipolarisasi: mekanisme polarisasi dielektrik dan permitivitas, persyaratan simetri untuk piezoelektrik, dan polarisasi spontan yang dapat diubah dari ferroelektrik yang dicontohkan oleh titanat perovskit seperti barium titanat. Ini membahas transisi Curie antara keadaan ferroelektrik dan paraelektrik, domain dan histeresis, serta bagaimana komposisi menyetel oksida ini untuk kapasitor, aktuator, sensor, dan memori.

Core questions

• Mekanisme apa yang memberikan permitivitas pada dielektrik?
• Simetri kristal apa yang diperlukan untuk piezoelektrik dan ferroelektrik?
• Bagaimana polarisasi spontan muncul dan beralih dalam ferroelektrik?
• Bagaimana transisi Curie menghubungkan keadaan ferroelektrik dan paraelektrik?

Key concepts

• Permitivitas dielektrik
• Polarisasi elektronik, ionik, dan dipolar
• Piezoelektrik
• Polarisasi spontan
• Suhu Curie
• Domain ferroelektrik dan histeresis

Key theories

Mekanisme polarisasi dan permitivitas

Medan yang diterapkan menggeser muatan dalam dielektrik melalui polarisasi elektronik, ionik, dan dipolar, menyimpan energi dan meningkatkan kapasitansi efektif; besaran dan respons frekuensi permitivitas mencerminkan mekanisme mana yang beroperasi.

Ferroelektrik dari distorsi polar

Di bawah suhu Curie, perovskit seperti barium titanat mengadopsi struktur non-sentrosimetris dengan polarisasi spontan yang dapat diubah; distorsi mode lunak terkait memberikan permitivitas yang sangat tinggi dan kopling piezoelektrik yang dimanfaatkan dalam perangkat.

Mechanisms

Pada perovskit ferroelektrik, pergeseran kation yang kecil dari pusat menciptakan dipol; di bawah suhu Curie, dipol-dipol ini sejajar menjadi domain, menghasilkan polarisasi spontan, dan medan yang diterapkan mengorientasikan ulang domain, menghasilkan loop histeresis dan regangan piezoelektrik kuat yang digunakan dalam perangkat.

Clinical relevance

Bahan dielektrik dan ferroelektrik mendasari kapasitor keramik multilayer, sensor piezoelektrik, aktuator, dan transduser ultrasonik, dielektrik gerbang ferroelektrik dan permitivitas tinggi dalam mikroelektronika, serta memori ferroelektrik non-volatil, dengan komposisi yang dipilih untuk mengatur permitivitas, suhu Curie, dan kopling.

History

Piezoelektrik ditemukan oleh saudara Curie pada tahun 1880, dan ferroelektrik pertama kali dikenali dalam garam Rochelle pada tahun 1920-an. Penemuan ferroelektrik selama perang pada barium titanat, dan studi struktural Megaw tentang distorsi perovskitnya, membentuk ferroelektrik oksida yang kini mendominasi kapasitor elektrokeramik dan perangkat piezoelektrik.

Key figures

• Jacques Curie
• Pierre Curie
• Helen Megaw

Seminal works

• moulson2003
• callister2018

Frequently asked questions

Apa perbedaan antara dielektrik dan ferroelektrik?

Semua ferroelektrik adalah dielektrik, tetapi dielektrik biasa hanya mengalami polarisasi saat medan diterapkan dan kembali ke polarisasi nol saat dihilangkan. Ferroelektrik memiliki polarisasi spontan bahkan tanpa medan, dan polarisasi tersebut dapat diubah antara orientasi stabil, memberikan memori dan histeresis.

Mengapa ferroelektrik kehilangan sifat-sifat khususnya saat dipanaskan?

Di atas suhu Curienya, ferroelektrik bertransformasi menjadi struktur paraelektrik sentrosimetris dengan simetri yang lebih tinggi di mana distorsi polar menghilang. Tanpa polarisasi spontan, perilaku ferroelektrik dan piezoelektrik menghilang hingga material didinginkan kembali di bawah titik Curie.