วัสดุไดอิเล็กทริกและเฟอร์โรอิเล็กทริก

วัสดุไดอิเล็กทริกและเฟอร์โรอิเล็กทริกเป็นฉนวนที่เกิดการโพลาไรซ์ในสนามไฟฟ้า นอกจากนี้ เฟอร์โรอิเล็กทริกยังมีโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเองซึ่งสามารถสลับทิศทางได้ ทำให้มีค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าสูง มีการเชื่อมโยงแบบเพียโซอิเล็กทริก และมีพฤติกรรมการจดจำ

Definition

ไดอิเล็กทริกคือวัสดุฉนวนที่เกิดโพลาไรเซชันทางไฟฟ้าเมื่อมีสนามไฟฟ้าภายนอกมากระทำ ส่วนเฟอร์โรอิเล็กทริกคือไดอิเล็กทริกที่มีโพลาไรเซชันเกิดขึ้นเอง ซึ่งเกิดจากโครงสร้างที่ไม่สมมาตรแบบไม่สมมาตรกลาง (non-centrosymmetric structure) และสามารถกลับทิศทางได้ด้วยสนามไฟฟ้าภายนอก

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมเคมีของฉนวนที่สามารถโพลาไรซ์ได้: กลไกของการโพลาไรเซชันไดอิเล็กทริกและสภาพยอมทางไฟฟ้า ข้อกำหนดด้านสมมาตรสำหรับเพียโซอิเล็กทริก และโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเองและสามารถสลับทิศทางได้ของเฟอร์โรอิเล็กทริก ซึ่งมีตัวอย่างเช่น เพอร์รอฟสไกต์ไททาเนต เช่น แบเรียมไททาเนต โดยจะกล่าวถึงการเปลี่ยนผ่านแบบคูรีระหว่างสถานะเฟอร์โรอิเล็กทริกและพาราอิเล็กทริก โดเมนและฮิสเทอรีซิส และวิธีการปรับแต่งองค์ประกอบของออกไซด์เหล่านี้สำหรับตัวเก็บประจุ แอคทูเอเตอร์ เซ็นเซอร์ และหน่วยความจำ

Core questions

• กลไกใดที่ทำให้ไดอิเล็กทริกมีสภาพยอมทางไฟฟ้า?
• สมมาตรของผลึกแบบใดที่จำเป็นสำหรับเพียโซอิเล็กทริกและเฟอร์โรอิเล็กทริก?
• โพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเองเกิดขึ้นและสลับทิศทางในเฟอร์โรอิเล็กทริกได้อย่างไร?
• การเปลี่ยนผ่านแบบคูรีเชื่อมโยงสถานะเฟอร์โรอิเล็กทริกและพาราอิเล็กทริกได้อย่างไร?

Key concepts

• สภาพยอมทางไฟฟ้าของไดอิเล็กทริก
• โพลาไรเซชันอิเล็กทรอนิกส์ ไอออนิก และไดโพลาร์
• เพียโซอิเล็กทริก
• โพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเอง
• อุณหภูมิคูรี
• โดเมนเฟอร์โรอิเล็กทริกและฮิสเทอรีซิส

Key theories

กลไกการโพลาไรเซชันและสภาพยอมทางไฟฟ้า

สนามไฟฟ้าภายนอกจะทำให้ประจุเคลื่อนที่ในไดอิเล็กทริกผ่านโพลาไรเซชันอิเล็กทรอนิกส์ ไอออนิก และไดโพลาร์ ซึ่งจะเก็บพลังงานและเพิ่มความจุไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพ ขนาดและการตอบสนองความถี่ของสภาพยอมทางไฟฟ้าสะท้อนให้เห็นว่ากลไกใดทำงานอยู่

เฟอร์โรอิเล็กทริกจากการบิดเบี้ยวแบบมีขั้ว

เมื่ออุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิคูรี เพอร์รอฟสไกต์ เช่น แบเรียมไททาเนต จะมีโครงสร้างที่ไม่สมมาตรแบบไม่สมมาตรกลาง (non-centrosymmetric structure) ที่มีโพลาไรเซชันเกิดขึ้นเองและสามารถสลับทิศทางได้ การบิดเบี้ยวแบบซอฟต์โหมดที่เกี่ยวข้องทำให้มีสภาพยอมทางไฟฟ้าสูงมากและการเชื่อมโยงแบบเพียโซอิเล็กทริกที่นำไปใช้ประโยชน์ในอุปกรณ์ต่างๆ

Mechanisms

ในเฟอร์โรอิเล็กทริกเพอร์รอฟสไกต์ การเคลื่อนที่เล็กน้อยของแคตไอออนออกจากจุดศูนย์กลางจะสร้างไดโพลขึ้นมา เมื่ออุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิคูรี ไดโพลเหล่านี้จะเรียงตัวกันเป็นโดเมน ทำให้เกิดโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเอง และสนามไฟฟ้าภายนอกจะปรับทิศทางของโดเมนใหม่ ทำให้เกิดวงฮิสเทอรีซิสและความเครียดเพียโซอิเล็กทริกที่รุนแรงซึ่งนำไปใช้ในอุปกรณ์ต่างๆ

Clinical relevance

วัสดุไดอิเล็กทริกและเฟอร์โรอิเล็กทริกเป็นพื้นฐานของตัวเก็บประจุเซรามิกหลายชั้น เซ็นเซอร์เพียโซอิเล็กทริก แอคทูเอเตอร์ และทรานสดิวเซอร์อัลตราซาวด์ รวมถึงไดอิเล็กทริกเกตแบบเฟอร์โรอิเล็กทริกและที่มีสภาพยอมทางไฟฟ้าสูงในอุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ และหน่วยความจำเฟอร์โรอิเล็กทริกแบบไม่ลบเลือน โดยมีการเลือกองค์ประกอบเพื่อกำหนดค่าสภาพยอมทางไฟฟ้า อุณหภูมิคูรี และการเชื่อมโยง

History

เพียโซอิเล็กทริกถูกค้นพบโดยพี่น้องคูรีในปี ค.ศ. 1880 และเฟอร์โรอิเล็กทริกได้รับการยอมรับครั้งแรกในเกลือรอเชลล์ในช่วงทศวรรษ 1920 การค้นพบเฟอร์โรอิเล็กทริกในแบเรียมไททาเนตในช่วงสงคราม และการศึกษาโครงสร้างของการบิดเบี้ยวแบบเพอร์รอฟสไกต์โดย Megaw ได้ก่อตั้งเฟอร์โรอิเล็กทริกออกไซด์ซึ่งปัจจุบันครอบงำตัวเก็บประจุอิเล็กโทรเซรามิกและอุปกรณ์เพียโซอิเล็กทริก

Key figures

• Jacques Curie
• Pierre Curie
• Helen Megaw

Seminal works

• moulson2003
• callister2018

Frequently asked questions

ความแตกต่างระหว่างไดอิเล็กทริกและเฟอร์โรอิเล็กทริกคืออะไร?

เฟอร์โรอิเล็กทริกทั้งหมดเป็นไดอิเล็กทริก แต่ไดอิเล็กทริกทั่วไปจะเกิดโพลาไรซ์เฉพาะเมื่อมีสนามไฟฟ้ามากระทำและจะกลับสู่โพลาไรเซชันเป็นศูนย์เมื่อสนามไฟฟ้าถูกถอดออก เฟอร์โรอิเล็กทริกมีโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเองแม้ไม่มีสนามไฟฟ้า และโพลาไรเซชันนั้นสามารถสลับระหว่างทิศทางที่เสถียรได้ ทำให้เกิดการจดจำและฮิสเทอรีซิส

ทำไมเฟอร์โรอิเล็กทริกจึงสูญเสียคุณสมบัติพิเศษเมื่อได้รับความร้อน?

เมื่ออุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิคูรี เฟอร์โรอิเล็กทริกจะเปลี่ยนไปเป็นโครงสร้างพาราอิเล็กทริกที่มีสมมาตรสูงกว่าและมีสมมาตรกลาง (centrosymmetric) ซึ่งการบิดเบี้ยวแบบมีขั้วจะหายไป เมื่อไม่มีโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเอง พฤติกรรมเฟอร์โรอิเล็กทริกและเพียโซอิเล็กทริกจะหายไปจนกว่าวัสดุจะถูกทำให้เย็นลงต่ำกว่าจุดคูรีอีกครั้ง