Диэлектрические и сегнетоэлектрические материалы

Диэлектрические и сегнетоэлектрические материалы — это изоляторы, которые поляризуются в электрическом поле; сегнетоэлектрики дополнительно обладают спонтанной поляризацией, которая может быть переключена, что обеспечивает им высокую диэлектрическую проницаемость, пьезоэлектрическую связь и эффект памяти.

Definition

Диэлектрик — это изолирующий материал, который развивает электрическую поляризацию в приложенном поле; сегнетоэлектрик — это диэлектрик со спонтанной поляризацией, возникающей из нецентросимметричной структуры, которая может быть обращена внешним полем.

Scope

Эта тема охватывает химию поляризуемых изоляторов: механизмы диэлектрической поляризации и диэлектрической проницаемости, требования к симметрии для пьезоэлектричества, а также спонтанную, переключаемую поляризацию сегнетоэлектриков, примером которых являются перовскитные титанаты, такие как титанат бария. Рассматриваются переход Кюри между сегнетоэлектрическим и параэлектрическим состояниями, домены и гистерезис, а также то, как состав этих оксидов настраивается для использования в конденсаторах, актуаторах, датчиках и устройствах памяти.

Core questions

• Какие механизмы обеспечивают диэлектрику его диэлектрическую проницаемость?
• Какая кристаллическая симметрия требуется для пьезоэлектричества и сегнетоэлектричества?
• Как возникает и переключается спонтанная поляризация в сегнетоэлектрике?
• Как переход Кюри связывает сегнетоэлектрическое и параэлектрическое состояния?

Key concepts

• Диэлектрическая проницаемость
• Электронная, ионная и дипольная поляризация
• Пьезоэлектричество
• Спонтанная поляризация
• Температура Кюри
• Сегнетоэлектрические домены и гистерезис

Key theories

Механизмы поляризации и диэлектрическая проницаемость

Приложенное поле смещает заряд в диэлектрике посредством электронной, ионной и дипольной поляризации, запасая энергию и повышая эффективную емкость; величина и частотная характеристика диэлектрической проницаемости отражают, какие механизмы действуют.

Сегнетоэлектричество из полярного искажения

Ниже температуры Кюри перовскиты, такие как титанат бария, принимают нецентросимметричную структуру со спонтанной, переключаемой поляризацией; связанное с этим искажение мягкой моды обеспечивает очень высокую диэлектрическую проницаемость и пьезоэлектрическую связь, используемую в устройствах.

Mechanisms

В сегнетоэлектрических перовскитах небольшое смещение катиона от центра создает диполь; ниже температуры Кюри эти диполи выстраиваются в домены, создавая спонтанную поляризацию, а приложенное поле переориентирует домены, что приводит к петле гистерезиса и сильной пьезоэлектрической деформации, используемой в устройствах.

Clinical relevance

Диэлектрические и сегнетоэлектрические материалы лежат в основе многослойных керамических конденсаторов, пьезоэлектрических датчиков, актуаторов и ультразвуковых преобразователей, сегнетоэлектрических и высокопроницаемых затворных диэлектриков в микроэлектронике, а также энергонезависимой сегнетоэлектрической памяти, при этом состав выбирается для установки диэлектрической проницаемости, температуры Кюри и связи.

History

Пьезоэлектричество было открыто братьями Кюри в 1880 году, а сегнетоэлектричество впервые было обнаружено в сегнетовой соли в 1920-х годах. Открытие сегнетоэлектричества в титанате бария во время войны и структурные исследования Мегау его перовскитного искажения заложили основу оксидных сегнетоэлектриков, которые теперь доминируют в электрокерамических конденсаторах и пьезоэлектрических устройствах.

Key figures

• Jacques Curie
• Pierre Curie
• Helen Megaw

Seminal works

• moulson2003
• callister2018

Frequently asked questions

В чем разница между диэлектриком и сегнетоэлектриком?

Все сегнетоэлектрики являются диэлектриками, но обычный диэлектрик поляризуется только при приложении поля и возвращается к нулевой поляризации при его снятии. Сегнетоэлектрик обладает спонтанной поляризацией даже без поля, и эта поляризация может быть переключена между стабильными ориентациями, обеспечивая память и гистерезис.

Почему сегнетоэлектрик теряет свои особые свойства при нагревании?

Выше своей температуры Кюри сегнетоэлектрик переходит в более симметричную, центросимметричную параэлектрическую структуру, в которой полярное искажение исчезает. Без спонтанной поляризации сегнетоэлектрическое и пьезоэлектрическое поведение исчезает до тех пор, пока материал не будет охлажден ниже точки Кюри.