Vật liệu điện môi và vật liệu sắt điện

Vật liệu điện môi và vật liệu sắt điện là những chất cách điện phân cực trong điện trường; vật liệu sắt điện còn có thêm sự phân cực tự phát có thể chuyển đổi, mang lại cho chúng độ điện môi cao, khớp nối áp điện và hành vi ghi nhớ.

Definition

Điện môi là vật liệu cách điện tạo ra sự phân cực điện trong một trường điện áp dụng; sắt điện là một điện môi có sự phân cực tự phát, phát sinh từ cấu trúc không đối xứng tâm, có thể đảo ngược bằng một trường bên ngoài.

Scope

Chủ đề này bao gồm hóa học của các chất cách điện có thể phân cực: các cơ chế phân cực điện môi và độ điện môi, các yêu cầu đối xứng đối với tính áp điện, và sự phân cực tự phát, có thể chuyển đổi của vật liệu sắt điện được minh họa bằng các titanat perovskite như bari titanat. Nó đề cập đến chuyển đổi Curie giữa trạng thái sắt điện và paraelectric, các miền và độ trễ, và cách thành phần điều chỉnh các oxit này cho tụ điện, bộ truyền động, cảm biến và bộ nhớ.

Core questions

• Cơ chế nào tạo ra độ điện môi của vật liệu điện môi?
• Cần có đối xứng tinh thể nào cho tính áp điện và tính sắt điện?
• Sự phân cực tự phát phát sinh và chuyển đổi trong vật liệu sắt điện như thế nào?
• Chuyển đổi Curie liên kết các trạng thái sắt điện và paraelectric như thế nào?

Key concepts

• Độ điện môi
• Phân cực điện tử, ion và lưỡng cực
• Tính áp điện
• Phân cực tự phát
• Nhiệt độ Curie
• Các miền sắt điện và độ trễ

Key theories

Cơ chế phân cực và độ điện môi

Một trường điện áp dụng dịch chuyển điện tích trong vật liệu điện môi thông qua phân cực điện tử, ion và lưỡng cực, lưu trữ năng lượng và tăng điện dung hiệu dụng; độ lớn và đáp ứng tần số của độ điện môi phản ánh cơ chế nào đang hoạt động.

Tính sắt điện từ biến dạng phân cực

Dưới nhiệt độ Curie, các perovskite như bari titanat có cấu trúc không đối xứng tâm với sự phân cực tự phát, có thể chuyển đổi; biến dạng chế độ mềm liên quan mang lại độ điện môi rất cao và khớp nối áp điện được khai thác trong các thiết bị.

Mechanisms

Trong các perovskite sắt điện, một sự dịch chuyển nhỏ lệch tâm của cation tạo ra một lưỡng cực; dưới nhiệt độ Curie, các lưỡng cực này sắp xếp thành các miền, tạo ra sự phân cực tự phát, và một trường áp dụng sẽ định hướng lại các miền, tạo ra vòng trễ và biến dạng áp điện mạnh được sử dụng trong các thiết bị.

Clinical relevance

Vật liệu điện môi và vật liệu sắt điện là nền tảng của tụ điện gốm nhiều lớp, cảm biến áp điện, bộ truyền động và đầu dò siêu âm, điện môi cổng sắt điện và có độ điện môi cao trong vi điện tử, và bộ nhớ sắt điện không bay hơi, với thành phần được chọn để thiết lập độ điện môi, nhiệt độ Curie và khớp nối.

History

Tính áp điện được anh em nhà Curie phát hiện vào năm 1880, và tính sắt điện lần đầu tiên được công nhận trong muối Rochelle vào những năm 1920. Việc phát hiện tính sắt điện trong bari titanat trong thời chiến, và các nghiên cứu cấu trúc của Megaw về biến dạng perovskite của nó, đã thiết lập các vật liệu sắt điện oxit hiện đang thống trị các tụ điện gốm điện và thiết bị áp điện.

Key figures

• Jacques Curie
• Pierre Curie
• Helen Megaw

Seminal works

• moulson2003
• callister2018

Frequently asked questions

Sự khác biệt giữa điện môi và sắt điện là gì?

Tất cả các vật liệu sắt điện đều là điện môi, nhưng một điện môi thông thường chỉ phân cực khi có trường điện áp dụng và trở về trạng thái không phân cực khi trường bị loại bỏ. Một vật liệu sắt điện có sự phân cực tự phát ngay cả khi không có trường, và sự phân cực đó có thể được chuyển đổi giữa các hướng ổn định, tạo ra bộ nhớ và độ trễ.

Tại sao vật liệu sắt điện mất đi các đặc tính đặc biệt của nó khi bị nung nóng?

Trên nhiệt độ Curie của nó, vật liệu sắt điện chuyển đổi sang cấu trúc paraelectric đối xứng hơn, đối xứng tâm, trong đó biến dạng phân cực biến mất. Không có sự phân cực tự phát, hành vi sắt điện và áp điện biến mất cho đến khi vật liệu được làm lạnh trở lại dưới điểm Curie.