Materiais Dielétricos e Ferroelétricos

Materiais dielétricos e ferroelétricos são isolantes que se polarizam em um campo elétrico; os ferroelétricos possuem adicionalmente uma polarização espontânea que pode ser comutada, conferindo-lhes alta permissividade, acoplamento piezoelétrico e comportamento de memória.

Definition

Um dielétrico é um material isolante que desenvolve uma polarização elétrica em um campo aplicado; um ferroelétrico é um dielétrico com uma polarização espontânea, resultante de uma estrutura não-centrossimétrica, que pode ser revertida por um campo externo.

Scope

Este tópico abrange a química de isolantes polarizáveis: os mecanismos de polarização dielétrica e permissividade, os requisitos de simetria para a piezoelectricidade e a polarização espontânea e comutável de ferroelétricos exemplificados por titanatos de perovskita, como o titanato de bário. Ele trata da transição de Curie entre os estados ferroelétrico e paraelétrico, domínios e histerese, e como a composição ajusta esses óxidos para capacitores, atuadores, sensores e memórias.

Core questions

• Que mecanismos conferem a um dielétrico sua permissividade?
• Que simetria cristalina é necessária para a piezoelectricidade e a ferroelectricidade?
• Como a polarização espontânea surge e se comuta em um ferroelétrico?
• Como a transição de Curie conecta os estados ferroelétrico e paraelétrico?

Key concepts

• Permissividade dielétrica
• Polarização eletrônica, iônica e dipolar
• Piezoelectricidade
• Polarização espontânea
• Temperatura de Curie
• Domínios ferroelétricos e histerese

Key theories

Mecanismos de polarização e permissividade

Um campo aplicado desloca carga em um dielétrico através de polarização eletrônica, iônica e dipolar, armazenando energia e aumentando a capacitância efetiva; a magnitude e a resposta em frequência da permissividade refletem quais mecanismos operam.

Ferroelectricidade a partir de uma distorção polar

Abaixo da temperatura de Curie, perovskitas como o titanato de bário adotam uma estrutura não-centrossimétrica com uma polarização espontânea e comutável; a distorção de modo suave associada confere uma permissividade muito alta e o acoplamento piezoelétrico explorado em dispositivos.

Mechanisms

Em perovskitas ferroelétricas, um pequeno deslocamento fora do centro do cátion cria um dipolo; abaixo da temperatura de Curie, esses dipolos se alinham em domínios, gerando polarização espontânea, e um campo aplicado reorienta os domínios, produzindo a curva de histerese e a forte deformação piezoelétrica utilizada em dispositivos.

Clinical relevance

Materiais dielétricos e ferroelétricos sustentam capacitores cerâmicos multicamadas, sensores piezoelétricos, atuadores e transdutores de ultrassom, dielétricos de porta ferroelétricos e de alta permissividade em microeletrônica, e memórias ferroelétricas não voláteis, com composição escolhida para definir a permissividade, a temperatura de Curie e o acoplamento.

History

A piezoelectricidade foi descoberta pelos irmãos Curie em 1880, e a ferroelectricidade foi reconhecida pela primeira vez no sal de Rochelle na década de 1920. A descoberta em tempo de guerra da ferroelectricidade no titanato de bário, e os estudos estruturais de Megaw sobre sua distorção de perovskita, estabeleceram os ferroelétricos de óxido que agora dominam os capacitores eletrocerâmicos e dispositivos piezoelétricos.

Key figures

• Jacques Curie
• Pierre Curie
• Helen Megaw

Seminal works

• moulson2003
• callister2018

Frequently asked questions

Qual é a diferença entre um dielétrico e um ferroelétrico?

Todos os ferroelétricos são dielétricos, mas um dielétrico comum polariza-se apenas enquanto um campo é aplicado e retorna a polarização zero quando removido. Um ferroelétrico possui uma polarização espontânea mesmo sem campo, e essa polarização pode ser comutada entre orientações estáveis, conferindo memória e histerese.

Por que um ferroelétrico perde suas propriedades especiais quando aquecido?

Acima de sua temperatura de Curie, um ferroelétrico transforma-se em uma estrutura paraelétrica de simetria mais alta e centrossimétrica, na qual a distorção polar desaparece. Sem polarização espontânea, o comportamento ferroelétrico e piezoelétrico desaparecem até que o material seja resfriado novamente abaixo do ponto de Curie.