Dielektrik ve Feroelektrik Malzemeler
Dielektrik ve feroelektrik malzemeler, elektrik alanında polarize olan yalıtkanlardır; feroelektrikler ayrıca değiştirilebilen spontan bir polarizasyona sahip olup, bu özellik onlara yüksek permitivite, piezoelektrik kuplaj ve hafıza davranışı sağlamaktadır.
Tanım
Dielektrik, uygulanan bir alanda elektrik polarizasyonu geliştiren yalıtkan bir malzemedir; feroelektrik ise, non-sentrosimetrik bir yapıdan kaynaklanan ve harici bir alanla tersine çevrilebilen spontan polarizasyona sahip bir dielektriktir.
Kapsam
Bu konu, polarize edilebilir yalıtkanların kimyasını; dielektrik polarizasyon ve permitivite mekanizmalarını, piezoelektriklik için simetri gereksinimlerini ve baryum titanat gibi perovskit titanatlar tarafından örneklendirilen feroelektriklerin spontan, değiştirilebilir polarizasyonunu kapsamaktadır. Feroelektrik ve paraelektrik durumlar arasındaki Curie geçişini, alanları (domainleri) ve histerezisi ele almakta, ayrıca bileşimin bu oksitleri kapasitörler, aktüatörler, sensörler ve hafızalar için nasıl ayarladığını incelemektedir.
Temel sorular
- Bir dielektriğe permitivitesini hangi mekanizmalar kazandırmaktadır?
- Piezoelektriklik ve feroelektriklik için hangi kristal simetrisi gereklidir?
- Bir feroelektrikte spontan polarizasyon nasıl ortaya çıkar ve nasıl değiştirilir?
- Curie geçişi, feroelektrik ve paraelektrik durumları nasıl birbirine bağlamaktadır?
Anahtar kavramlar
- Dielektrik permitivite
- Elektronik, iyonik ve dipoler polarizasyon
- Piezoelektriklik
- Spontan polarizasyon
- Curie sıcaklığı
- Feroelektrik alanlar (domainler) ve histerezis
Temel kuramlar
- Polarizasyon mekanizmaları ve permitivite
- Uygulanan bir alan, bir dielektrikte elektronik, iyonik ve dipoler polarizasyon yoluyla yükü yer değiştirmekte, enerji depolamakta ve etkin kapasitansı artırmaktadır; permitivitenin büyüklüğü ve frekans tepkisi, hangi mekanizmaların işlediğini yansıtmaktadır.
- Polar bir distorsiyondan kaynaklanan feroelektriklik
- Curie sıcaklığının altında, baryum titanat gibi perovskitler, spontan, değiştirilebilir polarizasyona sahip non-sentrosimetrik bir yapı benimsemektedir; ilgili yumuşak mod distorsiyonu çok yüksek permitivite ve cihazlarda kullanılan piezoelektrik kuplajı sağlamaktadır.
Mekanizmalar
Feroelektrik perovskitlerde, katyonun merkez dışı küçük bir yer değiştirmesi bir dipol oluşturmaktadır; Curie sıcaklığının altında bu dipoller alanlar (domainler) halinde hizalanarak spontan polarizasyon sağlamakta, uygulanan bir alan ise alanları yeniden yönlendirerek histerezis döngüsünü ve cihazlarda kullanılan güçlü piezoelektrik gerilimi üretmektedir.
Klinik önem
Dielektrik ve feroelektrik malzemeler, çok katmanlı seramik kapasitörlerin, piezoelektrik sensörlerin, aktüatörlerin ve ultrason transdüserlerinin, mikroelektronikteki feroelektrik ve yüksek permitiviteli geçit dielektriklerinin ve uçucu olmayan feroelektrik hafızaların temelini oluşturmaktadır; bu malzemelerin bileşimleri permitivite, Curie sıcaklığı ve kuplajı ayarlamak üzere seçilmektedir.
Tarihçe
Piezoelektriklik, 1880 yılında Curie kardeşler tarafından keşfedilmiştir. Feroelektriklik ise ilk olarak 1920'lerde Rochelle tuzu içinde tanınmıştır. Baryum titanatta feroelektrikliğin savaş zamanı keşfi ve Megaw'ın perovskit distorsiyonu üzerine yaptığı yapısal çalışmalar, günümüzde elektroseramik kapasitörlere ve piezoelektrik cihazlara hakim olan oksit feroelektrikleri ortaya çıkarmıştır.
Öne çıkan isimler
- Jacques Curie
- Pierre Curie
- Helen Megaw
İlgili konular
Temel eserler
- moulson2003
- callister2018
Sıkça sorulan sorular
- Bir dielektrik ile bir feroelektrik arasındaki fark nedir?
- Tüm feroelektrikler dielektriktir, ancak sıradan bir dielektrik sadece bir alan uygulandığında polarize olur ve alan kaldırıldığında polarizasyonu sıfıra döner. Bir feroelektrik, alan olmasa bile spontan bir polarizasyona sahiptir ve bu polarizasyon kararlı yönelimler arasında değiştirilebilir, bu da hafıza ve histerezis sağlamaktadır.
- Bir feroelektrik ısıtıldığında özel özelliklerini neden kaybeder?
- Curie sıcaklığının üzerinde, bir feroelektrik, polar distorsiyonun ortadan kalktığı daha yüksek simetrili, sentrosimetrik bir paraelektrik yapıya dönüşmektedir. Spontan polarizasyon olmadığında, malzeme Curie noktasının altına soğutulana kadar feroelektrik ve piezoelektrik davranışlar ortadan kalkmaktadır.