Czym są ceramiki ferroelektryczne?
Ceramika ferroelektryczna to klasa krystalicznych materiałów piroelektrycznych - to znaczy materiałów, które ulegają polaryzacji elektrycznej po schłodzeniu poniżej określonej temperatury. Krytyczną temperaturą w tym względzie jest punkt Curie, który może być lepiej znany jako temperatura, powyżej której materiały ferromagnetyczne, takie jak żelazo, tracą swój magnetyzm. Termin ferroelektryczny nie ma jednak bezpośredniego związku z żelazem. W materiałach wykazujących działanie ferroelektryczne polaryzację można odwrócić pod wpływem pola elektrycznego o odpowiedniej orientacji. Wiele materiałów ceramicznych o tej właściwości można wytwarzać przez ogrzewanie sproszkowanych składników do wymaganej temperatury i umożliwienie krystalizacji w miarę stygnięcia materiału.
Materiały, które wykazują tę właściwość, zazwyczaj mają strukturę krystaliczną perowskitu, który to termin pochodzi od mineralnego perowskitu (CaTiO3) lub tytanianu wapnia. Związki te mają ogólny wzór ABX 3 , w którym A jest dużym kationem, B jest znacznie mniejszym kationem, a X jest anionem, zwykle tlenem. Struktura krystaliczna tych materiałów jest taka, że kationy „A” tworzą sieć sześcienną, w której wewnątrz każdego sześcianu znajduje się kation „B” otoczony sześcioma anionami „X”. Struktury perowskitowe nie mają środka symetrii, ponieważ kation „B” ma tendencję do przemieszczania się z dala od centrum - ma to zasadnicze znaczenie dla efektu ferroelektrycznego. Przykładami ceramiki ferroelektrycznej o tego typu strukturze krystalicznej są tytanian baru (BaTiO 3 ), tytanian ołowiu (PbTiO 3 ) i niobian potasu (KNbO 3 ).
Po przyłożeniu pola elektrycznego kationy „B” zmieniają położenie w sieci krystalicznej zgodnie z orientacją pola i pozostają w tych położeniach, gdy pole jest wyłączone. Powoduje to polaryzację materiału. Pozycje kationów „B” można jednak zmienić przez przyłożenie pola elektrycznego o innej orientacji. W ten sposób ceramika ferroelektryczna może rejestrować informacje, a zatem może być wykorzystywana do pamięci komputera.
Jednym z najważniejszych zastosowań ferroelektryczności jest ferroelektryczna pamięć o swobodnym dostępie (FRAM). Zapewnia to bardzo szybkie przechowywanie i wyszukiwanie danych, z tą zaletą, że przechowywane dane są zachowywane, gdy nie ma zasilania. Ceramika ferroelektryczna jest również bardzo odpowiednia do stosowania w kondensatorach. Kondensatory wielowarstwowe składające się z setek cienkich arkuszy tytanianu baru z drukowanymi elektrodami są produkowane w dużych ilościach i mają szeroki zakres zastosowań, na przykład w obrazowaniu ultradźwiękowym i kamerach na podczerwień o wysokiej czułości. Inne zastosowania obejmują cienkowarstwową ceramikę ferroelektryczną, która może być stosowana w falowodach optycznych i wyświetlaczach pamięci optycznej.