Wat zijn ferro-elektrische keramiek?
Ferro-elektrisch keramiek is een klasse van kristallijne pyro-elektrische materialen - dat wil zeggen materialen die elektrisch worden gepolariseerd wanneer ze worden afgekoeld tot een bepaalde temperatuur. De kritische temperatuur in dit opzicht is het Curie-punt, dat misschien beter bekend staat als de temperatuur waarboven ferromagnetische materialen zoals ijzer hun magnetisme verliezen. De term ferro-elektrisch heeft echter geen directe verbinding met ijzer. In materialen die het ferro-elektrische effect vertonen, kan de polariteit worden omgekeerd onder invloed van een elektrisch veld met de juiste oriëntatie. Veel keramische materialen met deze eigenschap kunnen worden vervaardigd door poederingrediënten tot de vereiste temperatuur te verwarmen en kristallisatie toe te staan terwijl het materiaal afkoelt.
Materialen die deze eigenschap vertonen hebben typisch een perovskietkristalstructuur, een term die afkomstig is van het mineraal perovskiet (CaTiO 3 ) of calciumtitanaat. Deze verbindingen hebben de algemene formule ABX 3 , waarbij A een groot kation is, B een veel kleiner kation is en X een anion is, meestal zuurstof. De kristalstructuur van deze materialen is zodanig dat de "A" kationen een kubisch rooster vormen met, binnen elke kubus, een "B" kation omringd door zes "X" anionen. Perovskietstructuren hebben geen symmetriecentrum, omdat het "B" -kation de neiging heeft om weg van het centrum te worden verplaatst - dit is essentieel voor het ferro-elektrische effect. Voorbeelden van ferro-elektrisch keramiek met dit type kristalstructuur zijn bariumtitanaat (BaTiO 3 ), loodtitanaat (PbTiO 3 ) en kaliumniobaat (KNbO 3 ).
Wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd, veranderen de "B" -kationen van positie in het kristalrooster in overeenstemming met de oriëntatie van het veld en blijven in deze posities wanneer het veld wordt uitgeschakeld. Hierdoor wordt het materiaal elektrisch gepolariseerd. De posities van de "B" -kationen kunnen echter worden gewijzigd door een elektrisch veld met een andere oriëntatie aan te leggen. Op deze manier kan ferro-elektrisch keramiek informatie vastleggen en kan daarom worden gebruikt voor computergeheugen.
Een van de belangrijkste toepassingen van ferro-elektriciteit is ferro-elektrisch random access memory (FRAM). Dit biedt een zeer snelle opslag en het ophalen van gegevens, met het voordeel dat de opgeslagen gegevens behouden blijven als er geen stroomvoorziening is. Ferro-elektrisch keramiek is ook zeer geschikt voor gebruik in condensatoren. Meerlagige condensatoren bestaande uit honderden dunne vellen bariumtitanaat met gedrukte elektroden worden in grote hoeveelheden geproduceerd en hebben een breed scala aan toepassingen, bijvoorbeeld in echografie en zeer gevoelige infraroodcamera's. Andere toepassingen betreffen dunne film ferro-elektrische keramiek, die kan worden gebruikt in optische golfgeleiders en optische geheugenweergaven.