Ferroeletricidade - Ferroelectricity

Ferroeletricidade é uma característica de certos materiais que possuem uma polarização elétrica espontânea que pode ser revertida pela aplicação de um campo elétrico externo. Todos os ferroelétricos são piroelétricos , com a propriedade adicional de que sua polarização elétrica natural é reversível. O termo é usado em analogia ao ferromagnetismo , no qual um material exibe um momento magnético permanente . O ferromagnetismo já era conhecido quando a ferroeletricidade foi descoberta em 1920 no sal de Rochelle por Valasek. Assim, o prefixo ferro , que significa ferro, foi usado para descrever a propriedade, apesar do fato de a maioria dos materiais ferroelétricos não conter ferro. Os materiais ferroelétricos e ferromagnéticos são conhecidos como multiferróicos .

Polarização

Polarização dielétrica linear
Polarização paraelétrica
Polarização ferroelétrica

Quando a maioria dos materiais é eletricamente polarizada , a polarização induzida, P , é quase exatamente proporcional ao campo elétrico externo aplicado E ; então a polarização é uma função linear. Isso é chamado de polarização dielétrica linear (veja a figura). Alguns materiais, conhecidos como materiais paraelétricos , apresentam uma polarização não linear mais aprimorada (veja a figura). A permissividade elétrica , correspondente à inclinação da curva de polarização, não é constante como nos dielétricos lineares, mas é função do campo elétrico externo.

Além de serem não lineares, os materiais ferroelétricos demonstram uma polarização espontânea diferente de zero (após o arrastamento , consulte a figura), mesmo quando o campo aplicado E é zero. A característica distintiva dos ferroelétricos é que a polarização espontânea pode ser revertida por um campo elétrico adequadamente forte aplicado na direção oposta; a polarização é, portanto, dependente não apenas do campo elétrico atual, mas também de seu histórico, gerando um ciclo de histerese . Eles são chamados de ferroelétricos por analogia aos materiais ferromagnéticos , que têm magnetização espontânea e exibem loops de histerese semelhantes.

Normalmente, os materiais demonstram ferroeletricidade apenas abaixo de uma certa temperatura de transição de fase, chamada de temperatura de Curie ( T C ) e são paraelétricos acima dessa temperatura: a polarização espontânea desaparece e o cristal ferroelétrico se transforma no estado paraelétrico. Muitos ferroelétricos perdem suas propriedades piroelétricas acima do T C completamente, porque sua fase paraelétrica tem uma estrutura de cristal centrosimétrica.

Formulários

A natureza não linear dos materiais ferroelétricos pode ser usada para fazer capacitores com capacitância ajustável. Normalmente, um capacitor ferroelétrico consiste simplesmente em um par de eletrodos ensanduichando uma camada de material ferroelétrico. A permissividade dos ferroelétricos não é apenas ajustável, mas comumente também muito alta, especialmente quando perto da temperatura de transição de fase. Por causa disso, os capacitores ferroelétricos são pequenos em tamanho físico em comparação com os capacitores dielétricos (não sintonizáveis) de capacitância semelhante.

A polarização espontânea de materiais ferroelétricos implica um efeito de histerese que pode ser usado como uma função de memória, e capacitores ferroelétricos são de fato usados ​​para fazer RAM ferroelétrica para computadores e cartões RFID . Nessas aplicações, filmes finos de materiais ferroelétricos são tipicamente usados, pois isso permite que o campo necessário para comutar a polarização seja alcançado com uma tensão moderada. No entanto, ao usar filmes finos, uma grande atenção deve ser dada às interfaces, eletrodos e qualidade da amostra para que os dispositivos funcionem de forma confiável.

Os materiais ferroelétricos são exigidos por considerações de simetria para serem também piezoelétricos e piroelétricos. As propriedades combinadas de memória, piezoeletricidade e piroeletricidade tornam os capacitores ferroelétricos muito úteis, por exemplo, para aplicações de sensores. Capacitores ferroelétricos são usados ​​em máquinas de ultrassom médico (os capacitores geram e então ouvem o ping de ultrassom usado para gerar imagens dos órgãos internos de um corpo), câmeras infravermelhas de alta qualidade (a imagem infravermelha é projetada em uma matriz bidimensional de capacitores ferroelétricos capazes de detectando diferenças de temperatura tão pequenas quanto milionésimos de grau Celsius), sensores de incêndio, sonar, sensores de vibração e até mesmo injetores de combustível em motores a diesel.

Outra ideia de interesse recente é a junção do túnel ferroelétrico ( FTJ ), na qual um contato é formado por um filme ferroelétrico de espessura nanométrica colocado entre eletrodos de metal. A espessura da camada ferroelétrica é pequena o suficiente para permitir o tunelamento de elétrons. Os efeitos piezoelétricos e de interface, bem como o campo de despolarização, podem levar a um efeito de comutação por eletrorresistência gigante (GER).

Ainda outra aplicação emergente é a multiferróica , onde os pesquisadores estão procurando maneiras de acoplar a ordenação magnética e ferroelétrica dentro de um material ou heteroestrutura; existem várias análises recentes sobre este tópico.

As propriedades catalíticas dos ferroelétricos têm sido estudadas desde 1952, quando Parravano observou anomalias nas taxas de oxidação do CO sobre os niobatos ferroelétricos de sódio e potássio próximos à temperatura de Curie desses materiais. O componente perpendicular à superfície da polarização ferroelétrica pode dopar cargas dependentes da polarização nas superfícies de materiais ferroelétricos, mudando sua química. Isso abre a possibilidade de realizar a catálise além dos limites do princípio de Sabatier . O princípio de Sabatier afirma que a interação superfície-adsorbatos deve ser uma quantidade ótima: não muito fraca para ser inerte em relação aos reagentes e não muito forte para envenenar a superfície e evitar a dessorção dos produtos: uma situação de compromisso. Este conjunto de interações ótimas é geralmente referido como "topo do vulcão" em gráficos de vulcões de atividade. Por outro lado, a química dependente da polarização ferroelétrica pode oferecer a possibilidade de mudar a interação superfície-adsorção de forte adsorção para forte dessorção , portanto, um compromisso entre a dessorção e a adsorção não é mais necessário. A polarização ferroelétrica também pode atuar como um coletor de energia . A polarização pode ajudar na separação de pares elétron-buraco foto-gerados , levando a fotocatálise aprimorada. Além disso, devido aos efeitos piroelétricos e piezoelétricos sob condições variáveis ​​de temperatura (ciclos de aquecimento / resfriamento) ou de tensão (vibrações), cargas extras podem aparecer na superfície e levar a várias reações (eletro) químicas .

Materiais

Os dipolos elétricos internos de um material ferroelétrico são acoplados à rede do material, de modo que qualquer coisa que mude a rede mudará a força dos dipolos (em outras palavras, uma mudança na polarização espontânea). A mudança na polarização espontânea resulta em uma mudança na carga superficial. Isso pode causar fluxo de corrente no caso de um capacitor ferroelétrico, mesmo sem a presença de uma tensão externa no capacitor. Dois estímulos que mudarão as dimensões da rede de um material são a força e a temperatura. A geração de uma carga superficial em resposta à aplicação de uma tensão externa a um material é chamada de piezoeletricidade . Uma mudança na polarização espontânea de um material em resposta a uma mudança na temperatura é chamada de piroeletricidade .

Geralmente, existem 230 grupos espaciais entre os quais 32 classes cristalinas podem ser encontradas nos cristais. Existem 21 classes não centrosimétricas, das quais 20 são piezoelétricas . Dentre as classes piezoelétricas, 10 possuem polarização elétrica espontânea, que varia com a temperatura, portanto são piroelétricas . Entre os materiais piroelétricos, alguns deles são ferroelétricos.

32 classes cristalinas
21 não centrossimétrico 11 centrosimétricos
20 classes piezoelétricas não piezoelétrico
10 classes piroelétricas não piroelétrico
ferroelétrico não ferroelétrico
por exemplo: PbZr / TiO 3 , BaTiO 3 , PbTiO 3 por exemplo: Turmalina , ZnO , AlN por exemplo: Quartzo , Langasita

As transições de fase ferroelétricas são frequentemente caracterizadas como deslocamento (como BaTiO 3 ) ou desordem de ordem (como NaNO 2 ), embora muitas vezes as transições de fase demonstrem elementos de ambos os comportamentos. No titanato de bário , um ferroelétrico típico do tipo deslocado , a transição pode ser entendida em termos de uma catástrofe de polarização , na qual, se um íon é ligeiramente deslocado do equilíbrio, a força dos campos elétricos locais devido aos íons no cristal aumenta mais rápido do que as forças de restauração elástica . Isso leva a uma mudança assimétrica nas posições do íon de equilíbrio e, portanto, a um momento de dipolo permanente. O deslocamento iônico no titanato de bário diz respeito à posição relativa do íon titânio dentro da gaiola octaédrica de oxigênio. No titanato de chumbo , outro material ferroelétrico chave, embora a estrutura seja bastante semelhante ao titanato de bário, a força motriz da ferroeletricidade é mais complexa, com interações entre os íons de chumbo e oxigênio também desempenhando um papel importante. Em um ferroelétrico de desordem de ordem, há um momento de dipolo em cada célula unitária, mas em altas temperaturas eles estão apontando em direções aleatórias. Ao baixar a temperatura e passar pela transição de fase, os dipolos ordenam, todos apontando na mesma direção dentro de um domínio.

Um importante material ferroelétrico para aplicações é o titanato de zirconato de chumbo (PZT), que faz parte da solução sólida formada entre o titanato de chumbo ferroelétrico e o zirconato de chumbo anti-ferroelétrico . Diferentes composições são usadas para diferentes aplicações; para aplicações de memória, PZT mais próximo em composição ao titanato de chumbo é preferido, enquanto aplicações piezoelétricas fazem uso de coeficientes piezoelétricos divergentes associados com o limite de fase morfotrópico que é encontrado perto da composição 50/50.

Os cristais ferroelétricos frequentemente apresentam várias temperaturas de transição e histerese de estrutura de domínio , assim como os cristais ferromagnéticos . A natureza da transição de fase em alguns cristais ferroelétricos ainda não é bem compreendida.

Em 1974, RB Meyer usou argumentos de simetria para prever cristais líquidos ferroelétricos , e a previsão poderia ser verificada imediatamente por várias observações de comportamento conectado à ferroeletricidade em fases de cristal líquido esméticas que são quirais e inclinadas. A tecnologia permite a construção de monitores de tela plana. A produção em massa entre 1994 e 1999 foi realizada pela Canon. Cristais líquidos ferroelétricos são usados ​​na produção de LCoS reflexivos .

Em 2010, David Field descobriu que filmes prosaicos de produtos químicos como óxido nitroso ou propano exibiam propriedades ferroelétricas. Essa nova classe de materiais ferroelétricos exibe propriedades " espontâneas " e pode ter uma ampla gama de aplicações em dispositivos e nanotecnologia, além de influenciar a natureza elétrica da poeira no meio interestelar.

Outros materiais ferroelétricos usados ​​incluem sulfato de triglicina , fluoreto de polivinilideno (PVDF) e tantalato de lítio .

Deve ser possível produzir materiais que combinem propriedades ferroelétricas e metálicas simultaneamente, à temperatura ambiente. De acordo com pesquisas publicadas em 2018 na Nature Communications , os cientistas foram capazes de produzir uma folha "bidimensional" de material que era "ferroelétrica" ​​(tinha uma estrutura de cristal polar) e conduzia eletricidade.

Teoria

Uma introdução à teoria de Landau pode ser encontrada aqui. Com base na teoria de Ginzburg-Landau , a energia livre de um material ferroeltrico, na ausência de um campo eléctrico e tensão aplicada pode ser escrito como uma expansão de Taylor em termos do parâmetro de ordem, P . Se uma expansão de sexta ordem for usada (ou seja, 8ª ordem e termos superiores truncados), a energia livre é dada por:

onde P x , P y e P z são os componentes do vetor de polarização nas direções x , y e z respectivamente, e os coeficientes devem ser consistentes com a simetria do cristal. Para investigar a formação de domínio e outros fenômenos em ferroelétricos, essas equações são frequentemente usadas no contexto de um modelo de campo de fase . Normalmente, isso envolve adicionar um termo de gradiente, um termo eletrostático e um termo elástico para a energia livre. As equações são então discretizadas em uma grade usando o método das diferenças finitas ou o método dos elementos finitos e resolvidas sujeitas às restrições da lei de Gauss e da elasticidade linear .

Em todos os ferroelétricos conhecidos, e . Esses coeficientes podem ser obtidos experimentalmente ou a partir de simulações ab-initio. Para ferroelétricos com uma transição de fase de primeira ordem , enquanto para uma transição de fase de segunda ordem.

A polarização espontânea , P s de um ferroelétrico para uma transição de fase cúbica para tetragonal pode ser obtida considerando a expressão 1D da energia livre que é:

Essa energia livre tem a forma de um potencial de poço duplo com dois mínimos de energia livre na polarização espontânea. Encontramos a derivada da energia livre e a definimos igual a zero para resolver :

Uma vez que a solução P s = 0 desta equação corresponde a um máximo de energia livre na fase ferroelétrica, as soluções desejadas para P s correspondem a definir o fator remanescente para zero:

cuja solução é:

e eliminar soluções que têm a raiz quadrada de um número negativo (para as transições de fase de primeira ou segunda ordem) dá:

Se , a solução para a polarização espontânea se reduz a:

O ciclo de histerese (P x versus E x ) pode ser obtido a partir da expansão de energia livre, incluindo o termo -E x P x correspondente à energia devido a um campo elétrico externo E x interagindo com a polarização P x , como segue:

Encontramos os valores de polarização estáveis ​​de P x sob a influência do campo externo , agora denotado como P e , novamente definindo a derivada da energia em relação a P x a zero:

Plotar E x (no eixo X) como uma função de P e (mas no eixo Y) dá uma curva em forma de 'S' que é multivalorada em P e para alguns valores de E x . A parte central do 'S' corresponde a um máximo local de energia livre (desde ). A eliminação desta região e a conexão das porções superior e inferior da curva 'S' por linhas verticais nas descontinuidades dá o ciclo de histerese de polarização interna devido a um campo elétrico externo.

Veja também

Referências

Leitura adicional

  • AS Sidorkin (2006). Estrutura de Domínio em Ferroelétricos e Materiais Relacionados . Cambridge University Press. ISBN 978-1-904602-14-9.
  • Karin M Rabe ; Jean-Marc Triscone; Charles H Ahn (2007). Física da Ferroelétrica: Uma perspectiva moderna . Springer. ISBN 978-3-540-34591-6.
  • Julio A. Gonzalo (2006). Abordagem de campo eficaz para transições de fase e algumas aplicações para ferroelétricos . World Scientific. ISBN 978-981-256-875-5.

links externos