M4 Piezoeletricidade e Ferroeletricidade

Tópico

Abaixo de uma certa temperatura, a célula unitária dessa cerâmica perde sua simetria de inversão: os íons positivos e negativos que a compõem deixam de estar distribuídos de forma a se anularem exatamente quando a célula é invertida em torno de seu centro. Esse desequilíbrio deixa um dipolo elétrico resultante dentro de cada célula. A perda dessa simetria de inversão possibilita o acoplamento eletromecânico que define este modelo.

A perda da simetria de inversão faz com que essa cerâmica exiba o efeito piezoelétrico, tanto em sua forma direta quanto inversa: em sua forma direta, uma tensão mecânica aplicada à cerâmica deforma esses dipolos elétricos na célula, gerando, consequentemente, uma carga elétrica mensurável em sua superfície; em sua forma inversa, um campo elétrico aplicado à cerâmica atua sobre esses mesmos dipolos, resultando em uma deformação mecânica do material. O fato de ambas as formas do efeito piezoelétrico compartilharem a mesma origem — a quebra da simetria de inversão da célula unitária — significa que elas são, em essência, a mesma conversão eletromecânica ocorrendo em direções opostas.

Essa conversão eletromecânica, em qualquer direção, nunca é perfeitamente eficiente, e é o fator de acoplamento eletromecânico que quantifica quanta energia mecânica aplicada é efetivamente convertida em energia elétrica, ou quanta energia elétrica aplicada é efetivamente convertida em energia mecânica. Um fator de acoplamento eletromecânico mais alto para essa cerâmica torna a conversão mais eficiente; um fator mais baixo significa que uma fração maior da energia aplicada é perdida sem ser convertida na outra forma de energia.

No entanto, essa mesma quebra de simetria de inversão que possibilitou este modelo não persiste em todas as temperaturas: à medida que a temperatura da cerâmica se aproxima de sua temperatura de Curie, essa quebra de simetria enfraquece, desaparecendo completamente na temperatura de Curie, onde a célula unitária recupera sua simetria de inversão. À medida que a célula unitária se aproxima da recuperação dessa simetria, a permissividade dielétrica da cerâmica diverge perto da temperatura de Curie, conforme descrito pela lei de Curie-Weiss: quanto mais a temperatura da cerâmica se aproxima de sua temperatura de Curie, maior se torna a permissividade dielétrica, aumentando sem limite na própria temperatura de Curie.

Portanto, este modelo, com sua quebra de simetria de inversão da célula unitária, difere do mecanismo de transporte de portadores descrito para semicondutores por outro conjunto de modelos desta mesma categoria. Isso ocorre porque esse mecanismo não envolve nenhuma quebra de simetria de inversão, mas sim o movimento de portadores de carga através da rede cristalina. O fato de essa mesma quebra de simetria de inversão sustentar, por outro lado, o efeito piezoelétrico desta cerâmica significa que este modelo alimenta dois modelos deste conjunto: o que descreve a fadiga ferroelétrica, onde o envelhecimento da resposta piezoelétrica aqui estabelecida acaba por degradá-la, e o que descreve a caracterização elétrica da cerâmica, onde o ciclo de histerese entre a polarização e o campo elétrico é precisamente o que quantifica experimentalmente essa mesma resposta ferroelétrica.

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