Ferroelektrizität ist ein Phänomen, bei dem in einigen kristallinen Materialien eine spontane elektrische Polarisation als Reaktion auf mechanische Verformung auftritt. Dies bedeutet, dass sie, wenn sie mechanischen Druck auf solche Materialien ausüben, eine elektrische Ladung erhalten und diese Ladung behalten können, selbst nachdem die mechanische Einwirkung aufgehört hat.
Der Begriff "Hysterese" spiegelt in diesem Fall die Eigenschaft ferroelektrischer Materialien wider, ihre Polarisation bei sich ändernden äußeren Bedingungen beizubehalten. Wenn eine mechanische Einwirkung auf einen ferroelektrischen Gegenstand wirkt, beginnt er sich zu polarisieren, dh seine Atome oder Ionen bewegen sich so, dass ein elektrisches Feld erzeugt wird. Dies geschieht, solange die Exposition anhält.
Eine interessante und einzigartige Eigenschaft von Ferroelektriken besteht jedoch darin, dass sie ihre Polarisation auch nach Beendigung der Exposition beibehalten. Das heißt, wenn ein ferroelektrisches Material mechanisch ausgesetzt wurde und polarisiert wurde, behält es nach Beendigung der Exposition weiterhin die elektrische Ladung bei, bis es von einer anderen äußeren Einwirkung beeinflusst wird.
Warum haben Ferroelektrika eine Polarisationshysterese?
Ferroelektrische Materialien zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, auch nach dem Entfernen eines externen elektrischen Feldes eine konstante Polarisation beizubehalten. Dieses Phänomen wird als Polarisationshysterese bezeichnet und hat seine besonderen Ursachen.
Die Polarisationshysterese in Ferroelektriken ist auf den Prozess der Umstrukturierung der Mikrostruktur der Substanz zurückzuführen. Ein äußeres elektrisches Feld bewirkt, dass sich die Domänen innerhalb des Materials orientieren und eine Restpolarisation bilden. Der Prozess der Änderung der Domänenausrichtung ist jedoch nicht sofort und irreversibel.
Domänen sind kleine Bereiche in einer ferroelektrischen Struktur mit gerichteter Polarisation. Wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird, werden die Domänen in Richtung des Feldes neu ausgerichtet. Nachdem Sie das Feld jedoch deaktiviert haben, behalten die Domänen ihre neue Ausrichtung bei und bilden eine Restpolarisation. Dieses Phänomen ist irreversibel und wird auch in Abwesenheit eines äußeren Feldes beobachtet.
Wenn Sie die Felder erneut anwenden, werden die Domänen entsprechend diesem Feld neu erstellt. Sie ändern ihre Ausrichtung, bis ihre Position mit der Richtung des äußeren Feldes übereinstimmt. Dies erklärt das Auftreten der Polarisationshysterese – die Abhängigkeit der Restpolarisation von der Größe und Richtung des angelegten elektrischen Feldes.
Die Polarisationshysterese in Ferroelektriken hat erhebliche praktische Anwendungen. Zum Beispiel wird es in piezoelektrischen Materialien verwendet, um Ultraschallsensoren, Generatoren und Transformatoren zu erzeugen. Es findet auch Anwendung in der Elektronik, einschließlich Speicher auf magnetischen Medien.
Die physische Natur des ferroelektrischen Effekts
In Ferroelektriken hat jedes Molekül ein Dipolmoment ungleich Null, das aufgrund der Ladungsdifferenz innerhalb des Moleküls auftritt. In herkömmlichen Dielektriken wie Glas oder Polyethylen sind diese Dipole zufällig orientiert und im Durchschnitt summiert, was nicht zur Bildung einer spontanen Polarisation führt. In Ferroelektriken werden die Dipole der Moleküle jedoch durch die Wechselwirkung mit benachbarten Molekülen in einer bestimmten geordneten Struktur angeordnet.
Um die physische Natur des ferroelektrischen Effekts zu verstehen, ist es wichtig, auf die Rolle der kristallinen Struktur des Materials zu achten. Wenn die Temperatur sinkt, kann die Substanz verschiedene Phasenübergänge durchlaufen, z. B. von einem flüssigen Zustand in einen kristallinen Zustand oder von einer kristallinen Phase in eine andere. Während eines solchen Übergangs können Ferroelektrika ihre Polarisation verändern.
Phasenübergänge können durch Veränderungen in Temperatur, Druck oder durch andere Faktoren verursacht werden. Als Ergebnis solcher Übergänge werden die Dipole der Moleküle neu angeordnet und es entsteht eine spontane elektrische Polarisation. Interessanterweise kann dieses Phänomen einen umgekehrten Prozess – Depolarisation – haben, wenn es von einer Phase zur anderen zurückgeht.
Aufgrund der Fähigkeit, seine Polarisation mit einer Änderung des Phasenzustands des Materials zu ändern, wurde der Polarisationsprozess von Ferroelektriken als Hysterese bezeichnet. Dieser Begriff stammt aus dem Magnetismus, wobei Hysterese das Phänomen ist, die magnetische Induktion zu erhalten, wenn sich das äußere Magnetfeld ändert.
Interne Struktur von Ferroelektriken
Ferroelektrische Materialien haben eine besondere Struktur, die sich von herkömmlichen Dielektriken unterscheidet. Sie haben ein Dipolmoment, das in eine von zwei möglichen Richtungen gerichtet werden kann. Dies ist auf das Vorhandensein einer Domänenstruktur in ihnen zurückzuführen.
Domänen sind Bereiche des Ferroelektrikums, in denen die Dipolmomente von Atomen oder Molekülen in eine Richtung ausgerichtet sind. Gleichzeitig sind benachbarte Domains in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet. Diese Struktur entsteht durch äußere Einwirkung auf das Material, beispielsweise durch die Anwendung eines elektrischen Feldes.
Die Domänenumschaltung erfolgt während der Polarisation von Ferroelektriken. Wenn ein elektrisches Feld auf ein Material aufgetragen wird, werden die Dipolmomente innerhalb der Domänen in die Richtung des Feldes ausgerichtet. Wenn sich die Polarität des Feldes ändert, werden die Domänen ebenfalls neu ausgerichtet, wobei die Domänen in der alten Richtung zerstört werden und die neuen Domänen in entgegengesetzter Ausrichtung gebildet werden.
Es ist interessant festzustellen, dass der Polarisationsprozess von Ferroelektriken aufgrund des Vorhandenseins eines Hystereseeffekts, der sich manifestiert, wenn sich die Polarität des Feldes ändert, als Hysterese bezeichnet wird. Dies bedeutet, dass eine bestimmte Größe des elektrischen Feldes erforderlich ist, um alte Domänen zu zerstören und neue Domänen zu bilden. Wenn Sie ein Feld entfernen, behalten die neuen Domänen ihre Ausrichtung bei, und der Hystereseeffekt wird als Schleife im Polaritätsänderungsdiagramm angezeigt.
Auswirkung eines externen Felds auf die Ausrichtung von Domänen
Wenn ein externes Feld einem Ferroelektrikum überlagert wird, wird seine Elementardomänen neu ausgerichtet. Domänen sind Bereiche eines Materials, in denen die Ausrichtung der Dipole von Atomen oder Molekülen die gleiche Ausrichtung aufweist. Wenn kein externes Feld vorhanden ist, können Domänen zufällig ausgerichtet werden.
Wenn dem ferroelektrischen Material ein externes elektrisches Feld zugeführt wird, beginnen sich die Domänen in Richtung des Feldes zu drehen, bis der kritische Drehwinkel erreicht ist. Danach wachsen und erweitern Sie Domänen mit fester Ausrichtung. Dieser Prozess wird als Polarisation bezeichnet.
Wenn das äußere Feld schrittweise verkleinert wird, wird die Ausrichtung der Domänen beibehalten, bis der kritische Winkel erreicht ist, und die Domänen beginnen sich wieder zu drehen.
Wenn das äußere Feld wächst, entstehen neue, größere Domänen, und der Polarisationsprozess wird fortgesetzt.
Das Ändern des äußeren Feldes führt zu einer Änderung der Ausrichtung der Domänen, und der Prozess der Änderung der Ausrichtung wird als Hysterese bezeichnet. Dieses Phänomen hat eine praktische Anwendung in ferroelektrischen Geräten und ermöglicht es Ihnen, schnell wirkende Schalter und Speicher mit hoher Informationsdichte zu erstellen.
Widerstand von Ferroelektriken gegen die Bewegung von Hochwänden
Der Widerstand von Ferroelektriken gegen die Bewegung von Hochofenwänden kann jedoch das Phänomen der Hysterese verursachen. Bei einem externen elektrischen Feld kann beispielsweise ein ferroelektrisches Material polarisieren und die Hochofenwände bewegen sich unter dem Einfluss dieses Feldes. Wenn das äußere Feld jedoch geändert oder deaktiviert wird, können die Domänenwände an der neuen Position verbleiben. Das heißt, das Material kann polarisieren, auch wenn das äußere Feld bereits fehlt.
Der Widerstand ferroelektrischer Materialien gegen die Bewegung von Hochofenwänden kann sich in Form einer Hysterese manifestieren. Die Hysterese ist ein Phänomen, bei dem die Abhängigkeit des Ausgangssignals vom Eingang mehrdeutig ist und vom vorherigen Zustand des Systems abhängt. In Fällen, in denen das ferroelektrische Material regelmäßig äußeren Einflüssen ausgesetzt ist, kann die Hysterese zu einer Speicheransammlung an der Position der Domänenwände führen, was für einige Anwendungen, z. B. im Speicher von Computern, nützlich sein kann.
Der historische Kontext des Namens der Polarisationshysterese
Giyak hat auf dem Gebiet des Magnetismus geforscht und festgestellt, dass Substanzen eine Erinnerung an ihren Zustand haben. Er stellte fest, dass die Substanz ihre magnetische Induktion nicht sofort ändert, wenn sich das äußere Magnetfeld ändert, z. B. wenn sie kein Magnetfeld hat oder sich stark ändert. Stattdessen behält die Substanz ihren vorherigen Zustand bei, und erst wenn sie einen bestimmten kritischen Wert des äußeren Feldes erreicht hat, beginnt sie sich zu ändern.
Gijak nannte diesen Effekt "Hysterese" (vom griechischen Wort für "Hysterie", was "eine Art Zustand" bedeutet). Er verwendete den Begriff, um den Zustand des Materials zu beschreiben, der in einigen Fällen erhalten bleibt und sich nur ändert, wenn ein bestimmter Wert erreicht wird.
Dank der Werke von Giac wurde der Begriff "Hysterese" erstmals verwendet, um nicht nur magnetische, sondern auch andere physikalische Phänomene zu beschreiben, einschließlich des Polarisationsprozesses von Ferroelektriken.
Daher entspricht der Name "Hysterese" zur Beschreibung des Polarisationsprozesses von Ferroelektriken seinem Wesen und hat eine historische Gültigkeit.
Die Rolle der Hysterese bei der industriellen Anwendung von Ferroelektriken
Die Hysterese ist ein Phänomen, bei dem ein bestimmter Zustand einer Substanz erhalten bleibt, nachdem die äußere Einwirkung auf sie beendet wurde. Im Falle von Ferroelektriken tritt die Hysterese aufgrund der Anwesenheit einer Energiebarriere im System auf, die die Polarisationsstabilität in Abwesenheit eines externen elektrischen Feldes verursacht.
In der Industrie werden die Hystereseneigenschaften von Ferroelektriken in vielen Geräten und Systemen verwendet. Zum Beispiel werden ferroelektrische Materialien häufig in piezoelektrischen Sensoren und Aktuatoren verwendet. Mit piezoelektrischen Sensoren können Sie verschiedene physikalische Größen wie Druck, Temperatur, Beschleunigung usw. messen, basierend auf einer Änderung der Polarisation des Ferroelektrikums, wenn sie durch äußere Kraft auf ihn einwirkt.
Aktuatoren, die das Prinzip der Piezoelektrizität verwenden, haben die einzigartigen Eigenschaften einer schnellen Reaktion und einer präzisen Bewegungssteuerung. Sie werden häufig in der Mikroelektronik, Optik, Medizintechnik und anderen Industriezweigen verwendet.
Die hysteresischen Eigenschaften ferroelektrischer Materialien werden auch im ferroelektrischen Speicher verwendet. Ein Merkmal dieses Speichers ist die unfreiwillige Speicherung von Informationen, dh die Informationen werden auch nach einem Stromausfall gespeichert. Dies macht den ferroelektrischen Speicher sehr zuverlässig und ist in Elektronik und Computersystemen weit verbreitet.
Somit spielen die hysteresischen Eigenschaften von Ferroelektriken eine Schlüsselrolle bei ihrer industriellen Anwendung. Sie ermöglichen die Herstellung von Geräten mit hoher Leistung, Genauigkeit und Zuverlässigkeit und tragen zur Entwicklung neuer Technologien in verschiedenen Branchen bei.
