ferroelectricidad

Característica de ciertos materiales cristalinos.

La ferroelectricidad es una característica de ciertos materiales que tienen una polarización eléctrica espontánea que puede revertirse mediante la aplicación de un campo eléctrico externo. ^{[1] [2]} Todos los ferroeléctricos son también piezoeléctricos y piroeléctricos , con la propiedad adicional de que su polarización eléctrica natural es reversible. El término se utiliza en analogía con el ferromagnetismo , en el que un material exhibe un momento magnético permanente . El ferromagnetismo ya era conocido cuando Joseph Valasek descubrió la ferroelectricidad en 1920 en la sal de Rochelle . ^[3] Así, el prefijo ferro , que significa hierro, se utilizó para describir la propiedad a pesar de que la mayoría de los materiales ferroeléctricos no contienen hierro. Los materiales que son tanto ferroeléctricos como ferromagnéticos se conocen como multiferroicos .

Polarización

Polarización dieléctrica lineal

Polarización paraeléctrica

Polarización ferroeléctrica

Cuando la mayoría de los materiales están polarizados eléctricamente , la polarización inducida, P , es casi exactamente proporcional al campo eléctrico externo aplicado E ; entonces la polarización es una función lineal. Esto se llama polarización dieléctrica lineal (ver figura). Algunos materiales, conocidos como materiales paraeléctricos , ^[4] muestran una polarización no lineal más mejorada (ver figura). La permitividad eléctrica , correspondiente a la pendiente de la curva de polarización, no es constante como en los dieléctricos lineales sino que es función del campo eléctrico externo.

Además de ser no lineales, los materiales ferroeléctricos demuestran una polarización espontánea distinta de cero (después del arrastre , ver figura) incluso cuando el campo aplicado E es cero. La característica distintiva de los ferroeléctricos es que la polarización espontánea puede invertirse mediante la aplicación de un campo eléctrico suficientemente fuerte en la dirección opuesta; Por tanto, la polarización depende no sólo del campo eléctrico actual sino también de su historia, lo que produce un bucle de histéresis . Se denominan ferroeléctricos por analogía con los materiales ferromagnéticos , que tienen magnetización espontánea y presentan bucles de histéresis similares.

Normalmente, los materiales demuestran ferroelectricidad sólo por debajo de una determinada temperatura de transición de fase, llamada temperatura de Curie ( T _C ), y son paraeléctricos por encima de esta temperatura: la polarización espontánea desaparece y el cristal ferroeléctrico se transforma en el estado paraeléctrico. Muchos ferroeléctricos pierden completamente sus propiedades piroeléctricas por encima de T _C , porque su fase paraeléctrica tiene una estructura cristalina centrosimétrica. ^[5]

Aplicaciones

La naturaleza no lineal de los materiales ferroeléctricos se puede utilizar para fabricar condensadores con capacitancia ajustable. Normalmente, un condensador ferroeléctrico consiste simplemente en un par de electrodos intercalados con una capa de material ferroeléctrico. La permitividad de los ferroeléctricos no sólo es ajustable sino que normalmente también es muy alta, especialmente cuando está cerca de la temperatura de transición de fase. Debido a esto, los capacitores ferroeléctricos son de tamaño físico pequeño en comparación con los capacitores dieléctricos (no sintonizables) de capacitancia similar.

La polarización espontánea de materiales ferroeléctricos implica un efecto de histéresis que puede usarse como función de memoria, y los capacitores ferroeléctricos se usan para fabricar RAM ferroeléctrica ^[6] para computadoras y tarjetas RFID . En estas aplicaciones se suelen utilizar películas delgadas de materiales ferroeléctricos, ya que esto permite que el campo requerido para cambiar la polarización se logre con un voltaje moderado. Sin embargo, cuando se utilizan películas delgadas, se debe prestar mucha atención a las interfaces, los electrodos y la calidad de la muestra para que los dispositivos funcionen de manera confiable. ^[7]

Por consideraciones de simetría, los materiales ferroeléctricos deben ser también piezoeléctricos y piroeléctricos. Las propiedades combinadas de memoria, piezoelectricidad y piroelectricidad hacen que los condensadores ferroeléctricos sean muy útiles, por ejemplo, para aplicaciones de sensores. Los condensadores ferroeléctricos se utilizan en máquinas de ultrasonido médico (los condensadores generan y luego escuchan el ping de ultrasonido utilizado para obtener imágenes de los órganos internos de un cuerpo), cámaras infrarrojas de alta calidad (la imagen infrarroja se proyecta en una matriz bidimensional de condensadores ferroeléctricos capaces de (que detectan diferencias de temperatura tan pequeñas como millonésimas de grado Celsius), sensores de incendio, sonares, sensores de vibración e incluso inyectores de combustible en motores diésel.

Otra idea de reciente interés es la unión de túnel ferroeléctrico ( FTJ ), en la que se forma un contacto mediante una película ferroeléctrica de espesor nanométrico colocada entre electrodos metálicos. ^[8] El espesor de la capa ferroeléctrica es lo suficientemente pequeño como para permitir la formación de túneles de electrones. Los efectos piezoeléctricos y de interfaz, así como el campo de despolarización, pueden provocar un efecto de conmutación de electrorresistencia gigante (GER).

Otra aplicación floreciente es la multiferroica , donde los investigadores buscan formas de acoplar el orden magnético y ferroeléctrico dentro de un material o heteroestructura; Hay varias revisiones recientes sobre este tema. ^[9]

Las propiedades catalíticas de los ferroeléctricos se han estudiado desde 1952, cuando Parravano observó anomalías en las tasas de oxidación de CO sobre los niobatos ferroeléctricos de sodio y potasio cerca de la temperatura de Curie de estos materiales. ^[10] El componente perpendicular a la superficie de la polarización ferroeléctrica puede dopar cargas dependientes de la polarización en las superficies de materiales ferroeléctricos, cambiando su química. ^{[11] [12] [13]} Esto abre la posibilidad de realizar catálisis más allá de los límites del principio de Sabatier . ^[14] El principio de Sabatier establece que la interacción superficie-adsorbatos tiene que ser una cantidad óptima: no demasiado débil para ser inerte hacia los reactivos y no demasiado fuerte para envenenar la superficie y evitar la desorción de los productos: una situación de compromiso. ^[15] Este conjunto de interacciones óptimas generalmente se denomina "cima del volcán" en los gráficos de actividad volcánica. ^[16] Por otro lado, la química dependiente de la polarización ferroeléctrica puede ofrecer la posibilidad de cambiar la interacción superficie-adsorbato de una fuerte adsorción a una fuerte desorción , por lo que ya no es necesario un compromiso entre desorción y adsorción. ^[14] La polarización ferroeléctrica también puede actuar como recolector de energía . ^{[17] La ​​polarización puede ayudar a la separación de} pares de huecos de electrones fotogenerados , lo que lleva a una fotocatálisis mejorada. ^[18] Además, debido a los efectos piroeléctricos y piezoeléctricos bajo temperaturas variables (ciclos de calentamiento/enfriamiento) ^{[19] [20]} o condiciones de tensión (vibraciones) variables ^[21], pueden aparecer cargas adicionales en la superficie e impulsar diversas sustancias (electro)químicas. reacciones hacia adelante.

Materiales

Los dipolos eléctricos internos de un material ferroeléctrico están acoplados a la red del material, de modo que cualquier cosa que cambie la red cambiará la fuerza de los dipolos (en otras palabras, un cambio en la polarización espontánea). El cambio en la polarización espontánea resulta en un cambio en la carga superficial. Esto puede provocar un flujo de corriente en el caso de un condensador ferroeléctrico incluso sin la presencia de un voltaje externo a través del condensador. Dos estímulos que cambiarán las dimensiones de la red de un material son la fuerza y ​​la temperatura. La generación de una carga superficial en respuesta a la aplicación de una tensión externa a un material se denomina piezoelectricidad . Un cambio en la polarización espontánea de un material en respuesta a un cambio de temperatura se llama piroelectricidad .

Generalmente, existen 230 grupos espaciales entre los cuales se pueden encontrar 32 clases cristalinas en los cristales. Existen 21 clases no centrosimétricas, dentro de las cuales 20 son piezoeléctricas . Entre las clases piezoeléctricas, 10 tienen una polarización eléctrica espontánea que varía con la temperatura; por eso son piroeléctricos . La ferroelectricidad es un subconjunto de la piroelectricidad, que aporta polarización electrónica espontánea al material. ^[22]

Las transiciones de fase ferroeléctricas a menudo se caracterizan como desplazables (como BaTiO ₃ ) o como desorden de orden (como NaNO ₂ ), aunque a menudo las transiciones de fase demostrarán elementos de ambos comportamientos. En el titanato de bario , un ferroeléctrico típico de tipo desplazable, la transición puede entenderse en términos de una catástrofe de polarización, en la que, si un ion se desplaza ligeramente del equilibrio, la fuerza de los campos eléctricos locales debida a los iones en el cristal aumenta más rápido que las fuerzas elásticas de restauración . Esto conduce a un desplazamiento asimétrico en las posiciones de los iones de equilibrio y, por tanto, a un momento dipolar permanente. El desplazamiento iónico en el titanato de bario se refiere a la posición relativa del ion titanio dentro de la jaula octaédrica de oxígeno. En el titanato de plomo , otro material ferroeléctrico clave, aunque la estructura es bastante similar a la del titanato de bario, la fuerza impulsora de la ferroelectricidad es más compleja y las interacciones entre los iones de plomo y oxígeno también juegan un papel importante. En un ferroeléctrico de desorden de orden, hay un momento dipolar en cada celda unitaria, pero a altas temperaturas apuntan en direcciones aleatorias. Al bajar la temperatura y pasar por la transición de fase, los dipolos se ordenan, apuntando todos en la misma dirección dentro de un dominio.

Un material ferroeléctrico importante para aplicaciones es el titanato de plomo y circonato (PZT), que forma parte de la solución sólida formada entre el titanato de plomo ferroeléctrico y el circonato de plomo antiferroeléctrico . Se utilizan diferentes composiciones para diferentes aplicaciones; para aplicaciones de memoria, se prefiere el PZT con una composición más cercana al titanato de plomo, mientras que las aplicaciones piezoeléctricas utilizan los coeficientes piezoeléctricos divergentes asociados con el límite de fase morfotrópico que se encuentra cerca de la composición 50/50.

Los cristales ferroeléctricos a menudo muestran varias temperaturas de transición e histéresis de estructura de dominio , al igual que los cristales ferromagnéticos . La naturaleza de la transición de fase en algunos cristales ferroeléctricos aún no se comprende bien.

En 1974, RB Meyer utilizó argumentos de simetría para predecir cristales líquidos ferroeléctricos , ^[24] y la predicción pudo verificarse inmediatamente mediante varias observaciones del comportamiento relacionado con la ferroelectricidad en fases esmécticas de cristales líquidos que son quirales e inclinadas. La tecnología permite la construcción de monitores de pantalla plana. La producción en masa entre 1994 y 1999 estuvo a cargo de Canon. Los cristales líquidos ferroeléctricos se utilizan en la producción de LCoS reflectantes .

En 2010 , David Field descubrió que las películas prosaicas de sustancias químicas como el óxido nitroso o el propano exhibían propiedades ferroeléctricas. ^[25] Esta nueva clase de materiales ferroeléctricos exhibe propiedades " esponteléctricas " y puede tener una amplia gama de aplicaciones en dispositivos y nanotecnología y también influir en la naturaleza eléctrica del polvo en el medio interestelar.

Otros materiales ferroeléctricos utilizados incluyen sulfato de triglicina , fluoruro de polivinilideno (PVDF) y tantalato de litio . ^[26] Se puede crear una monocapa ferroeléctrica de un solo átomo de espesor utilizando bismuto puro . ^[27]

Debería ser posible producir materiales que combinen propiedades ferroeléctricas y metálicas simultáneamente, a temperatura ambiente. ^[28] Según una investigación publicada en 2018 en Nature Communications , ^[29] los científicos pudieron producir una lámina bidimensional de material que era a la vez ferroeléctrica (tenía una estructura cristalina polar) y conducía electricidad.

Teoría

Puede encontrar una introducción a la teoría de Landau aquí. ^[30] Basado en la teoría de Ginzburg-Landau , la energía libre de un material ferroeléctrico, en ausencia de un campo eléctrico y tensión aplicada, puede escribirse como una expansión de Taylor en términos del parámetro de orden , P. Si se utiliza una expansión de sexto orden (es decir, términos de octavo orden y superiores truncados), la energía libre viene dada por:

${\displaystyle {\begin{array}{ll}\Delta E=&{\frac {1}{2}}\alpha _{0}\left(T-T_{0}\right)\left(P_{x}^{2}+P_{y}^{2}+P_{z}^{2}\right)+{\frac {1}{4}}\alpha _{11}\left(P_{x}^{4}+P_{y}^{4}+P_{z}^{4}\right)\\&+{\frac {1}{2}}\alpha _{12}\left(P_{x}^{2}P_{y}^{2}+P_{y}^{2}P_{z}^{2}+P_{z}^{2}P_{x}^{2}\right)\\&+{\frac {1}{6}}\alpha _{111}\left(P_{x}^{6}+P_{y}^{6}+P_{z}^{6}\right)\\&+{\frac {1}{2}}\alpha _{112}\left[P_{x}^{4}\left(P_{y}^{2}+P_{z}^{2}\right)+P_{y}^{4}\left(P_{x}^{2}+P_{z}^{2}\right)+P_{z}^{4}\left(P_{x}^{2}+P_{y}^{2}\right)\right]\\&+{\frac {1}{2}}\alpha _{123}P_{x}^{2}P_{y}^{2}P_{z}^{2}\end{array}}}$

donde P _x ​​, P _y y P _z son los componentes del vector de polarización en las direcciones x , y y z respectivamente, y los coeficientes deben ser consistentes con la simetría del cristal. Para investigar la formación de dominios y otros fenómenos en ferroeléctricos, estas ecuaciones se utilizan a menudo en el contexto de un modelo de campo de fase . Normalmente, esto implica agregar un término de gradiente, un término electrostático y un término elástico a la energía libre. Luego, las ecuaciones se discretizan en una cuadrícula utilizando el método de diferencias finitas o el método de elementos finitos y se resuelven sujetas a las restricciones de la ley de Gauss y la elasticidad lineal . ${\displaystyle \alpha _{i},\alpha _{ij},\alpha _{ijk}}$

En todos los ferroeléctricos conocidos, y . Estos coeficientes pueden obtenerse experimentalmente o a partir de simulaciones ab-initio. Para ferroeléctricos con una transición de fase de primer orden, mientras que para una transición de fase de segundo orden. ${\displaystyle \alpha _{0}>0}$ ${\displaystyle \alpha _{111}>0}$ ${\displaystyle \alpha _{11}<0}$ ${\displaystyle \alpha _{11}>0}$

La polarización espontánea , Ps _de un ferroeléctrico para una transición de fase cúbica a tetragonal se puede obtener considerando la expresión 1D de la energía libre que es:

${\displaystyle \Delta E={\frac {1}{2}}\alpha _{0}\left(T-T_{0}\right)P_{x}^{2}+{\frac {1}{4}}\alpha _{11}P_{x}^{4}+{\frac {1}{6}}\alpha _{111}P_{x}^{6}}$

Esta energía libre tiene la forma de un potencial de doble pozo con dos mínimos de energía libre en , la polarización espontánea. Encontramos la derivada de la energía libre y la igualamos a cero para resolver : ${\displaystyle P_{x}=P_{s}}$ ${\displaystyle P_{s}}$

${\displaystyle {\frac {\partial \Delta E}{\partial P_{x}}}=\alpha _{0}\left(T-T_{0}\right)P_{x}+\alpha _{11}P_{x}^{3}+\alpha _{111}P_{x}^{5}}$

${\displaystyle 0={\frac {\partial \Delta E}{\partial P_{x}}}=P_{s}\left[\alpha _{0}\left(T-T_{0}\right)+\alpha _{11}P_{s}^{2}+\alpha _{111}P_{s}^{4}\right]}$

Dado que la solución P _s = 0 de esta ecuación corresponde más bien a un máximo de energía libre en la fase ferroeléctrica, las soluciones deseadas para P _s corresponden a establecer el factor restante en cero:

${\displaystyle \alpha _{0}\left(T-T_{0}\right)+\alpha _{11}P_{s}^{2}+\alpha _{111}P_{s}^{4}=0}$

cuya solución es:

${\displaystyle P_{s}^{2}={\frac {1}{2\alpha _{111}}}\left[-\alpha _{11}\pm {\sqrt {\alpha _{11}^{2}+4\alpha _{0}\alpha _{111}\left(T_{0}-T\right)}}\;\right]}$

y eliminando soluciones que toman la raíz cuadrada de un número negativo (ya sea para las transiciones de fase de primer o segundo orden) se obtiene:

${\displaystyle P_{s}=\pm {\sqrt {{\frac {1}{2\alpha _{111}}}\left[-\alpha _{11}+{\sqrt {\alpha _{11}^{2}+4\alpha _{0}\alpha _{111}\left(T_{0}-T\right)}}\;\right]}}}$

Si , la solución para la polarización espontánea se reduce a: ${\displaystyle \alpha _{11}=0}$

${\displaystyle P_{s}=\pm {\sqrt[{4}]{\frac {\alpha _{0}\left(T_{0}-T\right)}{\alpha _{111}}}}}$

El bucle de histéresis (P _x versus Ex ₎ se puede obtener a partir de la expansión de energía libre incluyendo el término -E _x P _x correspondiente a la energía debida a un campo eléctrico externo Ex _que interactúa con la polarización P _x , de la siguiente manera:

${\displaystyle \Delta E={\frac {1}{2}}\alpha _{0}\left(T-T_{0}\right)P_{x}^{2}+{\frac {1}{4}}\alpha _{11}P_{x}^{4}+{\frac {1}{6}}\alpha _{111}P_{x}^{6}-E_{x}P_{x}}$

Encontramos los valores de polarización estable de P _x ​​bajo la influencia del campo externo , ahora denotado como P _e , nuevamente estableciendo la derivada de la energía con respecto a P _x a cero:

${\displaystyle {\frac {\partial \Delta E}{\partial P_{x}}}=\alpha _{0}\left(T-T_{0}\right)P_{x}+\alpha _{11}P_{x}^{3}+\alpha _{111}P_{x}^{5}-E_{x}=0}$

${\displaystyle E_{x}=\alpha _{0}\left(T-T_{0}\right)P_{e}+\alpha _{11}P_{e}^{3}+\alpha _{111}P_{e}^{5}}$

Trazar Ex (en el eje X) como una función de P _{e (pero en el eje Y )} da una curva en forma de S que tiene múltiples valores en P _e para algunos valores de _Ex . La parte central de la 'S' corresponde a un máximo local de energía libre (desde ). La eliminación de esta región y la conexión de las partes superior e inferior de la curva 'S' mediante líneas verticales en las discontinuidades da el bucle de histéresis de polarización interna debido a un campo eléctrico externo. ${\displaystyle {\frac {\partial ^{2}\Delta E}{\partial P_{x}^{2}}}<0}$

Ferroelectricidad deslizante

La ferroelectricidad deslizante se encuentra ampliamente, pero solo en capas apiladas de van der Waals bidimensionales (2D). La polarización eléctrica vertical se cambia mediante el deslizamiento de la capa intermedia en el plano. ^[31]

Ver también

Referencias

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31. Wu, Menghao; Li, Ju (14 de diciembre de 2021). "Ferroelectricidad deslizante en materiales 2D de van der Waals: física relacionada y oportunidades futuras". Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . 118 (50): e2115703118. Código Bib : 2021PNAS..11815703W. doi : 10.1073/pnas.2115703118 . PMC 8685923 . PMID  34862304. S2CID  244872105. 

Otras lecturas

• AS Sidorkin (2006). Estructura de dominio en ferroeléctricos y materiales afines . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 978-1-904602-14-9.
• Karin M. Rabe ; Jean-Marc Triscone; Charles H. Ahn (2007). Física de la ferroeléctrica: una perspectiva moderna . Saltador. ISBN 978-3-540-34591-6.
• Julio A. Gonzalo (2006). Enfoque de campo eficaz para las transiciones de fase y algunas aplicaciones a los ferroeléctricos . Científico mundial. ISBN 978-981-256-875-5.

enlaces externos

• Materiales ferroeléctricos en la Universidad de Cambridge.