유전체 및 강유전체 재료

유전체 및 강유전체 재료는 전기장 내에서 분극되는 절연체입니다. 강유전체는 추가적으로 스위칭 가능한 자발 분극을 가지며, 이는 높은 유전율, 압전 결합 및 메모리 특성을 부여합니다.

Definition

유전체는 인가된 전기장 내에서 전기 분극을 발생시키는 절연 재료이며, 강유전체는 비중심 대칭 구조에서 발생하는 자발 분극을 가지며 외부 전기장에 의해 반전될 수 있는 유전체입니다.

Scope

이 주제는 분극 가능한 절연체의 화학을 다룹니다. 즉, 유전 분극 및 유전율의 메커니즘, 압전성을 위한 대칭 요구 사항, 그리고 티탄산 바륨과 같은 페로브스카이트 티탄산염으로 예시되는 강유전체의 자발적이고 스위칭 가능한 분극을 다룹니다. 또한 강유전성 상태와 상유전성 상태 사이의 큐리 전이, 도메인 및 이력 현상, 그리고 이러한 산화물이 커패시터, 액추에이터, 센서 및 메모리용으로 어떻게 조성에 따라 조절되는지를 다룹니다.

Core questions

• 유전체에 유전율을 부여하는 메커니즘은 무엇입니까?
• 압전성 및 강유전성에 필요한 결정 대칭은 무엇입니까?
• 강유전체에서 자발 분극은 어떻게 발생하고 스위칭됩니까?
• 큐리 전이는 강유전성 상태와 상유전성 상태를 어떻게 연결합니까?

Key concepts

• 유전율
• 전자, 이온 및 쌍극자 분극
• 압전성
• 자발 분극
• 큐리 온도
• 강유전성 도메인 및 이력 현상

Key theories

분극 메커니즘 및 유전율

인가된 전기장은 전자, 이온 및 쌍극자 분극을 통해 유전체 내의 전하를 변위시켜 에너지를 저장하고 유효 정전 용량을 증가시킵니다. 유전율의 크기와 주파수 응답은 어떤 메커니즘이 작동하는지를 반영합니다.

극성 왜곡으로 인한 강유전성

큐리 온도 이하에서 티탄산 바륨과 같은 페로브스카이트는 자발적이고 스위칭 가능한 분극을 가진 비중심 대칭 구조를 채택합니다. 관련 소프트 모드 왜곡은 매우 높은 유전율과 장치에 활용되는 압전 결합을 제공합니다.

Mechanisms

강유전성 페로브스카이트에서 양이온의 작은 중심 이탈 변위는 쌍극자를 생성합니다. 큐리 온도 이하에서 이 쌍극자들은 도메인으로 정렬되어 자발 분극을 일으키고, 인가된 전기장은 도메인을 재배향하여 이력 곡선과 장치에 사용되는 강한 압전 변형을 생성합니다.

Clinical relevance

유전체 및 강유전체 재료는 다층 세라믹 커패시터, 압전 센서, 액추에에터 및 초음파 변환기, 마이크로일렉트로닉스의 강유전성 및 고유전율 게이트 유전체, 그리고 비휘발성 강유전성 메모리의 기반이 되며, 유전율, 큐리 온도 및 결합을 설정하기 위해 조성이 선택됩니다.

History

압전성은 1880년 퀴리 형제에 의해 발견되었고, 강유전성은 1920년대 로셸염에서 처음 인식되었습니다. 티탄산 바륨에서 강유전성이 전시 중에 발견되고, 메가우(Megaw)의 페로브스카이트 왜곡에 대한 구조 연구는 현재 전기 세라믹 커패시터 및 압전 장치를 지배하는 산화물 강유전체를 확립했습니다.

Key figures

• Jacques Curie
• Pierre Curie
• Helen Megaw

Seminal works

• moulson2003
• callister2018

Frequently asked questions

유전체와 강유전체의 차이점은 무엇입니까?

모든 강유전체는 유전체이지만, 일반적인 유전체는 전기장이 인가될 때만 분극되고 제거되면 분극이 0으로 돌아갑니다. 강유전체는 전기장이 없어도 자발 분극을 가지며, 이 분극은 안정적인 방향 사이에서 스위칭될 수 있어 메모리 및 이력 현상을 제공합니다.

강유전체가 가열되면 특유의 특성을 잃는 이유는 무엇입니까?

큐리 온도 이상에서 강유전체는 극성 왜곡이 사라지는 더 높은 대칭의 중심 대칭 상유전성 구조로 변형됩니다. 자발 분극이 없으면 강유전성 및 압전성 거동은 재료가 큐리점 이하로 냉각될 때까지 사라집니다.