Ferroelektrik

 

Ferroelekter on võimalik kristallides, milles elektriliste dipoolidena esinevad ioonid saavad kristallivõres polariseerumiseks nihkuda ja seega spontaanselt polariseeruda.

Ferroelektrilises kristallistruktuuris moodustuvad domeenid (piirkonnad), kus dipoolsed ioonid on korrastatud ühesuunaliselt ehk ühesuunaliselt polariseeritud. Elektrilised domeenid on palju väiksemad (mõne nanomeetri suurusjärgus) kui magnetdomeenid ferromagneetikutes, võimaldades vastavalt suuremat andmetihedust ferroelektriku kasutamisel salvestusmeediumina.

Ferroelektriku polariseeritust ${\displaystyle P}$  saab muuta välise elektriväljaga ${\displaystyle E}$  nii suuruselt kui ka suunalt nii, et moodustub hüstereesisilmus (nagu ferromagneetikute magneetimisel).

Terminis ’ferroelektrik’ ei osuta ’ferro’ mitte raua (lad ferrum) omadustele, vaid analoogiale ferromagnetismiga. Nii nagu ferromagneetikud kaotavad kõrgel temperatuuril magneetimisvõime, nii muutuvad ka ferroelektrikutel teatavast, nn ferroelektrilisest Curie temperatuurist alates paraelektrikuteks. Jahtudes muutub materjal taas ferroelektriliseks.

Ferroelektrilistel ainetel on ühtlasi püroelektrilised ja pieselektrilised omadused.

Ferroelektrikutele on omane suur (vähemalt 100) või väga suur (kuni 100 000) suhteline dielektriline läbitavus. Seepärast kasutatakse neid dielektrikumaterjalina keraamikakondensaatorites, mille mahtuvus ruumalaühiku kohta on võrreldav elektrolüütkondesaatorite vastava näitajaga. Samas on niisugustel keraamikakondensaatoritel märksa väiksem jadatakistus ja -induktiivsus, mistõttu sobivad nad hästi kasutamiseks muutmälu (RAM) elementides. Ferroelektrikud leiavad samuti kasutamist kõrge-k-dielektrikuna. Ferroelektrikute kasutamisel dielektrikumaterjalina tuleb arvestada läbitavuse suurt temperatuurisõltuvust ja energiakadu dielektrikus.

Ferroelektrikuid kasutatakse näiteks mikrotäiturite ülitäpsetes nihkeelemmentides, mis pöördpiesofekti toimel on võimelised teostama mõne aatomi suurusi mehaanilisi nihkeid. Niisugused täiturid on kasutusel mitut tüüpi rastermikroskoopides.

Kõige tuntumad on

• baariumtitanaat BaTiO₃ (lühend: BTO)
• pliitsirkonaattitanaat Pb(Zr_xTi_1-x)O₃ (PZT) – peamiselt piesomehaanilistes asendielementides

Ferroelektriliste omadustega on ka järgmised ained, mida kasutatakse peamiselt õhukese kihina (kilena):

• stronstiumvismuttantalaat SrBi₂Ta₂O₉ (SBT)
• vismuttitanaat Bi₄Ti₃O₁₂ (BIT)
• vismutlantaantitanaat Bi_4-xLa_xTi₃O₁₂ (BLT)
• vismuttitanaatniobaat Bi₃TiNbO₉ (BTN)
• strontiumtitanaat SrTiO₃ (STO)
• baariumstrontiumtitanaat Ba_xSr_1-xTiO₃ (BST)
• naatriumnitrit NaNO₂
• liitiumniobaat LiNbO₃
• kaaliumnaatriumtartraat-tetrahüdraat (Seignette’i sool) KNaC₄H₄O₆ · 4 H₂O

Leidub ka orgaanilisi ferroelektrikuid, näiteks

• 1,1-di(karboksümetüül)tsükloheksaan
• triglütsiinsulfaat (CH₂NH₂COOH)₃·H₂SO₄ (TGS)
• polüvinüliidne fluoriid-trifluoroetüleen (PVDF)

• Dielektriline polarisatsioon
• Piesoelekter
• Püroelekter