誘電体および強誘電体材料

誘電体および強誘電体材料は、電場中で分極する絶縁体です。強誘電体はさらに、自発分極を持ち、これを切り替えることができるため、高い誘電率、圧電結合、および記憶特性を示します。

Definition

誘電体とは、印加された電場中で電気分極を生じる絶縁材料です。強誘電体とは、非中心対称構造に起因する自発分極を持ち、外部電場によって反転可能な誘電体です。

Scope

このトピックでは、分極可能な絶縁体の化学について扱います。誘電分極と誘電率のメカニズム、圧電性の対称性要件、およびチタン酸バリウムなどのペロブスカイト型チタン酸塩に代表される強誘電体の自発的で切り替え可能な分極について説明します。強誘電状態と常誘電状態間のキュリー転移、ドメインとヒステリシス、そしてこれらの酸化物がコンデンサ、アクチュエータ、センサー、メモリ向けにどのように組成調整されるかについても考察します。

Core questions

• 誘電体に誘電率を与えるメカニズムは何ですか？
• 圧電性および強誘電性に必要な結晶対称性は何ですか？
• 強誘電体において自発分極はどのように発生し、どのように切り替わりますか？
• キュリー転移は強誘電状態と常誘電状態をどのように結びつけますか？

Key concepts

• 誘電率
• 電子分極、イオン分極、双極子分極
• 圧電性
• 自発分極
• キュリー温度
• 強誘電ドメインとヒステリシス

Key theories

分極メカニズムと誘電率

印加された電場は、電子分極、イオン分極、双極子分極を介して誘電体内の電荷を変位させ、エネルギーを蓄積し、実効容量を増加させます。誘電率の大きさおよび周波数応答は、どのメカニズムが作用しているかを反映します。

極性歪みによる強誘電性

キュリー温度以下では、チタン酸バリウムなどのペロブスカイトは、自発的で切り替え可能な分極を持つ非中心対称構造をとります。関連するソフトモード歪みは、非常に高い誘電率と、デバイスで利用される圧電結合をもたらします。

Mechanisms

強誘電性ペロブスカイトでは、カチオンのわずかな中心からのずれが双極子を生成します。キュリー温度以下では、これらの双極子がドメインに整列し、自発分極を生じます。印加された電場はドメインを再配向させ、ヒステリシスループと、デバイスで利用される強い圧電歪みを生成します。

Clinical relevance

誘電体および強誘電体材料は、多層セラミックコンデンサ、圧電センサー、アクチュエータ、超音波トランスデューサ、マイクロエレクトロニクスにおける強誘電性および高誘電率ゲート誘電体、不揮発性強誘電体メモリの基盤となっています。その組成は、誘電率、キュリー温度、および結合を設定するために選択されます。

History

圧電性は1880年にキュリー兄弟によって発見され、強誘電性は1920年代にロッシェル塩で初めて認識されました。戦時中にチタン酸バリウムで強誘電性が発見され、メガウによるそのペロブスカイト歪みの構造研究によって、現在エレクトロセラミックコンデンサや圧電デバイスを支配する酸化物強誘電体が確立されました。

Key figures

• Jacques Curie
• Pierre Curie
• Helen Megaw

Seminal works

• moulson2003
• callister2018

Frequently asked questions

誘電体と強誘電体の違いは何ですか？

すべての強誘電体は誘電体ですが、通常の誘電体は電場が印加されている間だけ分極し、電場がなくなると分極はゼロに戻ります。強誘電体は電場がない状態でも自発分極を持ち、その分極は安定した配向間で切り替えることができ、記憶特性とヒステリシスをもたらします。

強誘電体は加熱するとその特殊な特性を失うのはなぜですか？

キュリー温度を超えると、強誘電体はより対称性の高い中心対称の常誘電構造に相転移し、極性歪みが消失します。自発分極がなくなるため、強誘電性および圧電性は、材料がキュリー点以下に冷却されるまで消失します。