Was sind ferroelektrische Keramiken?
Ferroelektrische Keramiken sind eine Klasse von kristallinen pyroelektrischen Materialien - dh Materialien, die beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur elektrisch polarisiert werden. Die kritische Temperatur in dieser Hinsicht ist der Curie-Punkt, der vielleicht besser als die Temperatur bekannt ist, oberhalb derer ferromagnetische Materialien wie Eisen ihren Magnetismus verlieren. Der Begriff ferroelektrisch hat jedoch keinen direkten Zusammenhang mit Eisen. In Materialien, die den ferroelektrischen Effekt zeigen, kann die Polarität unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes der entsprechenden Orientierung umgekehrt werden. Viele keramische Materialien mit dieser Eigenschaft können hergestellt werden, indem pulverförmige Bestandteile auf die erforderliche Temperatur erhitzt werden und eine Kristallisation ermöglicht wird, wenn das Material abkühlt.
Materialien, die diese Eigenschaft aufweisen, haben typischerweise eine Perowskitkristallstruktur, eine Bezeichnung, die vom Mineral Perowskit (CaTiO 3 ) oder Calciumtitanat stammt. Diese Verbindungen haben die allgemeine Formel ABX 3 , worin A ein großes Kation ist, B ein viel kleineres Kation ist und X ein Anion ist, üblicherweise Sauerstoff. Die Kristallstruktur dieser Materialien ist derart, dass die "A" -Kationen ein kubisches Gitter bilden, wobei in jedem Würfel ein "B" -Kation von sechs "X" -Anionen umgeben ist. Perowskit-Strukturen haben kein Symmetriezentrum, da das B-Kation dazu neigt, vom Zentrum weg verschoben zu werden - dies ist für den ferroelektrischen Effekt wesentlich. Beispiele für ferroelektrische Keramiken mit dieser Art von Kristallstruktur sind Bariumtitanat (BaTiO 3 ), Bleititanat (PbTiO 3 ) und Kaliumniobat (KNbO 3 ).
Wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, ändern die "B" -Kationen ihre Position innerhalb des Kristallgitters entsprechend der Ausrichtung des Feldes und verbleiben in diesen Positionen, wenn das Feld ausgeschaltet wird. Dies führt dazu, dass das Material elektrisch polarisiert wird. Die Positionen der "B" -Kationen können jedoch durch Anlegen eines elektrischen Feldes mit einer anderen Ausrichtung geändert werden. Auf diese Weise kann ferroelektrische Keramik Informationen aufzeichnen und kann daher als Computerspeicher verwendet werden.
Eine der wichtigsten Anwendungen der Ferroelektrizität ist der ferroelektrische Direktzugriffsspeicher (FRAM). Dies bietet ein sehr schnelles Speichern und Abrufen von Daten mit dem Vorteil, dass die gespeicherten Daten erhalten bleiben, wenn keine Stromversorgung vorhanden ist. Ferroelektrische Keramiken eignen sich auch sehr gut für den Einsatz in Kondensatoren. Mehrschichtkondensatoren, die aus Hunderten von dünnen Bariumtitanatplatten mit gedruckten Elektroden bestehen, werden in großen Mengen hergestellt und finden vielfältige Verwendung, beispielsweise in Ultraschallbild- und hochempfindlichen Infrarotkameras. Andere Anwendungen betreffen ferroelektrische Dünnschichtkeramiken, die in optischen Wellenleitern und optischen Speicheranzeigen verwendet werden können.