Cosa sono le ceramiche ferroelettriche?

Le ceramiche ferroelettriche sono una classe di materiali piroelettrici cristallini, ovvero materiali che si polarizzano elettricamente quando vengono raffreddati al di sotto di una particolare temperatura. La temperatura critica a questo proposito è il punto di Curie, che è forse meglio conosciuto come la temperatura al di sopra della quale materiali ferromagnetici come il ferro perdono il loro magnetismo. Il termine ferroelettrico, tuttavia, non ha alcun legame diretto con il ferro. Nei materiali che presentano l'effetto ferroelettrico, la polarità può essere invertita sotto l'influenza di un campo elettrico con l'orientamento appropriato. Molti materiali ceramici con questa proprietà possono essere fabbricati riscaldando gli ingredienti in polvere alla temperatura richiesta e consentendo la cristallizzazione mentre il materiale si raffredda.

I materiali che presentano questa proprietà hanno tipicamente una struttura cristallina perovskite, un termine che deriva dalla perovskite minerale (CaTiO ₃ ) o titanato di calcio. Questi composti hanno la formula generale ABX ₃ , dove A è un grande catione, B è un catione molto più piccolo e X è un anione, solitamente ossigeno. La struttura cristallina di questi materiali è tale che i cationi “A” formano un reticolo cubico con, all'interno di ciascun cubo, un catione “B” circondato da sei anioni “X”. Le strutture perovskite non hanno un centro di simmetria, in quanto il catione "B" tende a spostarsi lontano dal centro - questo è essenziale per l'effetto ferroelettrico. Esempi di ceramiche ferroelettriche con questo tipo di struttura cristallina sono il titanato di bario (BaTiO ₃ ), il titanato di piombo (PbTiO ₃ ) e il niobato di potassio (KNbO ₃ ).

Quando viene applicato un campo elettrico, i cationi “B” cambiano posizione all'interno del reticolo cristallino in base all'orientamento del campo e rimangono in queste posizioni quando il campo è spento. Ciò si traduce in materiale polarizzato elettricamente. Le posizioni dei cationi “B” possono, tuttavia, essere modificate applicando un campo elettrico con un orientamento diverso. In questo modo, la ceramica ferroelettrica può registrare informazioni e può quindi essere utilizzata per la memoria del computer.

Una delle applicazioni più importanti della ferroelettricità è la memoria ferroelettrica ad accesso casuale (FRAM). Ciò offre una memorizzazione e un recupero molto rapidi dei dati, con il vantaggio che i dati memorizzati vengono conservati in assenza di alimentazione. Le ceramiche ferroelettriche sono anche molto adatte per l'uso nei condensatori. Condensatori multistrato costituiti da centinaia di fogli sottili di titanato di bario con elettrodi stampati sono prodotti in grandi quantità e hanno una vasta gamma di usi, ad esempio nell'ecografia e nelle telecamere a infrarossi ad alta sensibilità. Altre applicazioni riguardano la ceramica ferroelettrica a film sottile, che può essere utilizzata nelle guide d'onda ottica e nei display a memoria ottica.