M4 Piezoelektrizität und Ferroelektrizität

Thema

Unterhalb einer bestimmten Temperatur verliert die Elementarzelle dieser Keramik ihre Inversionssymmetrie: Die positiven und negativen Ionen, aus denen sie besteht, sind nicht mehr so ​​verteilt, dass sie sich bei Inversion der Zelle um ihren Mittelpunkt exakt aufheben. Dieses Ungleichgewicht hinterlässt in jeder Zelle einen resultierenden elektrischen Dipol. Der Verlust dieser Inversionssymmetrie ermöglicht die elektromechanische Kopplung, die dieses Modell definiert.

Der Verlust der Inversionssymmetrie bewirkt, dass diese Keramik den piezoelektrischen Effekt sowohl in seiner direkten als auch in seiner inversen Form aufweist: In seiner direkten Form verformt eine auf die Keramik wirkende mechanische Spannung diese elektrischen Dipole in der Zelle und erzeugt dadurch eine messbare elektrische Ladung an ihrer Oberfläche; in seiner inversen Form wirkt ein an die Keramik angelegtes elektrisches Feld auf dieselben Dipole und führt zu einer mechanischen Verformung des Materials. Die Tatsache, dass beide Formen des piezoelektrischen Effekts denselben Ursprung haben – die Brechung der Inversionssymmetrie der Elementarzelle – bedeutet, dass es sich im Wesentlichen um dieselbe elektromechanische Umwandlung handelt, die in entgegengesetzte Richtungen abläuft.

Diese elektromechanische Umwandlung ist in beide Richtungen nie perfekt effizient. Der elektromechanische Kopplungsfaktor quantifiziert, wie viel der zugeführten mechanischen Energie effektiv in elektrische Energie bzw. wie viel der zugeführten elektrischen Energie effektiv in mechanische Energie umgewandelt wird. Ein höherer elektromechanischer Kopplungsfaktor dieser Keramik führt zu einer effizienteren Umwandlung; ein niedrigerer Faktor bedeutet, dass ein größerer Anteil der zugeführten Energie ungenutzt verloren geht.

Diejenige Inversionssymmetrie, die dieses Modell ermöglichte, bleibt jedoch nicht bei jeder Temperatur bestehen: Nähert sich die Temperatur der Keramik ihrer Curie-Temperatur, schwächt sich diese Symmetriebrechung ab und verschwindet bei der Curie-Temperatur vollständig, wo die Elementarzelle ihre Inversionssymmetrie wiedererlangt. Mit der Wiedererlangung dieser Symmetrie divergiert die Dielektrizitätskonstante der Keramik in der Nähe der Curie-Temperatur gemäß dem Curie-Weiss-Gesetz: Je näher die Temperatur der Keramik ihrer Curie-Temperatur kommt, desto größer wird die Dielektrizitätskonstante und steigt direkt an der Curie-Temperatur unbegrenzt an.

Dieses Modell, das die Inversionssymmetrie der Einheitszelle bricht, unterscheidet sich daher von dem Ladungstransportmechanismus, der für Halbleiter in anderen Modellen derselben Kategorie beschrieben wird. Denn dieser Mechanismus beinhaltet keine Brechung der Inversionssymmetrie, sondern die Bewegung von Ladungsträgern durch das Kristallgitter. Da diese Brechung der Inversionssymmetrie andererseits den piezoelektrischen Effekt dieser Keramik aufrechterhält, fließt dieses Modell in zwei Modelle dieser Kategorie ein: eines, das die ferroelektrische Ermüdung beschreibt, bei der die Alterung der hier beschriebenen piezoelektrischen Reaktion zu deren Verschlechterung führt, und eines, das die elektrische Charakterisierung der Keramik beschreibt, bei der die Hystereseschleife zwischen Polarisation und elektrischem Feld genau diese ferroelektrische Reaktion experimentell quantifiziert.

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