Что такое сегнетоэлектрическая керамика?

Сегнетоэлектрическая керамика - это класс кристаллических пироэлектрических материалов, то есть материалов, которые становятся электрически поляризованными при охлаждении ниже определенной температуры. Критическая температура в этом отношении - это точка Кюри, которая, возможно, более известна как температура, выше которой ферромагнитные материалы, такие как железо, теряют свой магнетизм. Однако термин «сегнетоэлектрик» не имеет прямой связи с железом. В материалах, которые проявляют сегнетоэлектрический эффект, полярность может быть изменена под воздействием электрического поля соответствующей ориентации. Многие керамические материалы с этим свойством могут быть изготовлены путем нагревания порошкообразных ингредиентов до необходимой температуры и обеспечения возможности кристаллизации при охлаждении материала.

Материалы, которые проявляют это свойство, обычно имеют кристаллическую структуру перовскита, термин, который происходит от минерала перовскита (CaTiO ₃ ) или титаната кальция. Эти соединения имеют общую формулу ABX ₃ , где A представляет собой большой катион, B представляет собой значительно меньший катион и X представляет собой анион, обычно кислород. Кристаллическая структура этих материалов такова, что катионы «А» образуют кубическую решетку с внутри каждого куба катионом «В», окруженным шестью анионами «Х». Перовскитные структуры не имеют центра симметрии, так как катион «В» имеет тенденцию смещаться от центра - это существенно для сегнетоэлектрического эффекта. Примерами сегнетоэлектрической керамики с этим типом кристаллической структуры являются титанат бария (BaTiO ₃ ), титанат свинца (PbTiO ₃ ) и ниобат калия (KNbO ₃ ).

Когда прикладывается электрическое поле, катионы «В» изменяют положение в кристаллической решетке в соответствии с ориентацией поля и остаются в этих положениях, когда поле выключено. Это приводит к тому, что материал становится электрически поляризованным. Однако положение катионов «В» можно изменить, приложив электрическое поле с другой ориентацией. Таким образом, сегнетоэлектрическая керамика может записывать информацию и, следовательно, может использоваться для памяти компьютера.

Одним из наиболее важных применений сегнетоэлектричества является сегнетоэлектрическое оперативное запоминающее устройство (FRAM). Это обеспечивает очень быстрое хранение и поиск данных с тем преимуществом, что сохраненные данные сохраняются при отсутствии источника питания. Сегнетоэлектрическая керамика также очень подходит для использования в конденсаторах. Многослойные конденсаторы, состоящие из сотен тонких листов титаната бария с печатными электродами, изготавливаются в больших количествах и имеют широкий спектр применения, например, для ультразвуковой визуализации и высокочувствительных инфракрасных камер. Другие области применения включают тонкопленочную сегнетоэлектрическую керамику, которая может использоваться в оптических волноводах и дисплеях с оптической памятью.