Segnetoelektriķi

Segnetoelektriķi ir materiāli, kuriem piemīt spontānā polarizācija. Šāda veida polarizācija eksistē bez mehāniska sprieguma vai ārējā elektriskā lauka iedarbības.^[1][2] Visi segnetoelektriķi ir piroelektriķi, kuru polarizācijas polaritāti iespējams mainīt ar ārējā elektriskā lauka iedarbību. Segnetoelektriķu nosaukums radies no nātrija kālija tartrāta tetrahidrāta jeb segnetsāls, kuru pirmo reizi sintezēja Pjērs Seņets (Pierre Seignette)^[3]. Segnetsāls bija pirmais materiāls, kuram novērots pjezoelektriskais efekts. Segnetoelektriķi ir analogi feromagnētiķiem, kas ir materiāli, kuriem eksistē magnētiskais moments bez ārēju spēku vai lauku iedarbības.

Polarizācija

Dielektriskā polarizācija

Paraelektriskā polarizācija

Segnetoelektriskā polarizācija

Visbiežāk polarizējot materiālus, inducētā polarizācija P ir gandrīz tieši proporcionāla pieliktajam ārējam elektriskajam laukam E (skatīt attēlus), līdz ar to, polarizācija ir lineāra funkcija atkarībā no elektriskā lauka. Šādu parādību sauc par dielektrisko polarizāciju. Eksistē arī tādi materiāli, kas tiek saukti par paraelektriķiem, kuriem polarizācija atkarībā no ārējā elektriskā lauka pieaug daudz straujāk kā dielektriķiem^[4].

Segnetoelektriķiem šī funkcija ir nelineāra un tiem piemīt spontānā polarizācija pat tad, kad ārējais elektriskais lauks ir vienāds ar nulli. Segnetoelektriķus no cita veida dielektriķiem atšķir tas, ka to spontānās polarizācijas polaritāti iespējams mainīt uz pretējo ar pietiekami spēcīgu ārējo elektrisko lauku pretējā virzienā. Līdz ar to, polarizācija nav atkarīga tikai no esošā elektriskā lauka, bet arī no materiālam iepriekš pieliktā elektriskā lauka, kas dod histerēzes cilpu. Analoģiska histerēzes cilpa veidojas feromagnētiķiem, jo polarizācijas/magnetizācijas procesi ir līdzīgi.

Parasti materiāliem piemīt segnetoelektriskās īpašības zem kādas noteiktas fāzu pārejas temperatūras, ko sauc par Kirī temperatūru. Virs šīs temperatūras, šie materiāli kļūst par paraelektriķiem, jo tiem vairs nepiemīt spontānā polarizācija un materiāla kristāliskā struktūra ir paraelektriskā fāzē. Daļai no segnetoelektriķiem virs Kirī temperatūras pazūd jebkādas pjezoelektriskās īpašības, jo to paraelektriskai fāzei piemīt centrosimetriska kristāliskā struktūra^[5] .

Pielietojumi

Segnetoelektriķu nelineārā polarizācijas atkarība no elektriskā lauka var tikt izmantota, lai izveidotu kondensatorus ar maināmu kapacitāti. Parasti segnetoelektrisks kondensators sastāv no elektrodiem, starp kuriem ievietots segnetoelektriķis. Segnetoelektriķu dielektriskā caurlaidība ir ne tikai maināma, bet arī tai ir augsta absolūtā vērtība, it īpaši tad, kad materiāls atrodas tuvu fāzu pārejas temperatūrai. Šī iemesla dēļ, segnetoelektriskie kondensatori ir maza izmēra salīdzinot ar dielektriskajiem kondensatoriem ar tādu pašu kapacitāti.

Spontānās polarizācijas dēļ, segnetoelektriķiem ir histerēze, ko var izmantot kā atmiņas uzglabāšanas funkciju, un patiesi segnetoelektriskie kondensatori tiek pielietoti, lai izveidotu segnetoelektriskos RAM datoriem^[6] un RFID kartēm. Šādos pielietojumos parasti tiek izmantotas segnetoelektrisku materiālu plānās kārtiņas, jo tas ļauj pārslēgt polarizācijas polaritāti ar relatīvi zemiem spriegumiem. Jāņem vērā arī fakts, ka, izmantojot plānās kārtiņas, nepieciešams pievērst lielu uzmanību starpslāņiem, elektrodiem un paraugu kvalitātei, lai šāda veida iekārtas pareizi pildītu savu funkciju.^[7]

Segnetoelektriķiem pēc definīcijas ir arī pjezoelektriķi un piroelektriķi. Apvienojot pjezoelektriskās un piroelektriskās īpašības, kā arī atmiņas uzglabāšanas funkciju padara segneteoelektriskos kondensatorus ļoti noderīgus, piemēram, sensoros un aktuatoros. Tos izmanto arī medicīnas ultraskaņas iekārtās (kondensatori ģenerē un tad detektē ultraskaņas svārstības, lai izveidotu attēlu ar ķermeņa iekšējiem orgāniem), augstas kvalitātes infrasarkanās kamerās (infrasarkanais attēls tiek projicēts uz divdimensionāla segnetoelektrisko kondensatoru masīva, kuri spēj detektēt temperatūras izmaiņas, kas vienādas ar Celsija grāda miljono daļu), dūmu detektoros, sonāros, vibrācijas sensoros un pat degvielas ievadei dīzeļdegvielas dzinējos.

Vēl viena relatīvi nesena ideja ir segnetoelektriskais tunelēšanas mezgls, kurā starp metālu elektrodiem ievietota nanometru bieza segnetoelektriska materiāla plānā kārtiņa.^[8] Segnetoelektriskā slāņa biezums ir pietiekami šaurs, lai caur to spētu tunelēt elektroni.

Atsauces

1. Werner Känzig. «Ferroelectrics and Antiferroelectrics». In Frederick Seitz, T. P. Das, David Turnbull et al. Solid State Physics 4. Academic Press, 1957. 5. lpp. ISBN 978-0-12-607704-9. Tiek ieteikts |displayeditors= lietojums
2. M. Lines, A. Glass. Principles and applications of ferroelectrics and related materials. Clarendon Press, Oxford, 1979. ISBN 978-0-19-851286-8.
3. http://www.websters-online-dictionary.org/Ro/Rochelle_salt.html
4. Chiang, Y. et al.: Physical Ceramics, John Wiley & Sons 1997, New York
5. Ahmad Safari. Piezoelectric and acoustic materials for transducer applications. Springer Science & Business Media, 2008. 21. lpp. Bibcode:2008pamt.book.....S. ISBN 978-0387765402.
6. J.F. Scott. Ferroelectric Memories. Springer, 2000. ISBN 978-3-540-66387-4.
7. M. Dawber; K.M. Rabe; J.F. Scott (2005). "Physics of thin-film ferroelectric oxides". Reviews of Modern Physics 77 (4): 1083. arXiv:cond-mat/0503372. Bibcode 2005RvMP...77.1083D. doi:10.1103/RevModPhys.77.1083.
8. M.Ye. Zhuravlev; R.F. Sabirianov; S.S. Jaswal; E.Y. Tsymbal (2005). "Giant Electroresistance in Ferroelectric Tunnel Junctions". Physical Review Letters 94 (24): 246802–4. arXiv:cond-mat/0502109. Bibcode 2005PhRvL..94x6802Z. doi:10.1103/PhysRevLett.94.246802.