Ferroelektrik Malzemeler

Ferroelektrik Malzemeler 

Bugün uzun zamandır yazmayı planladığım bir yazıyla devam edelim. Ferroelektrik olayı dilim döndüğünce anlatmaya çalışacağım. Elektrik mühendisliğinde çoğumuz ferromanyetikliğin ne anlama geldiğini biliriz. Ferroelektrik olay ile kelime anlamı olarak ferro yani demir ile ilişkili bir durum olduğu sanılmasın. Ferromanyetiklikle benzeştiği için manyetiklik yerine elektrik (potansiyel ve elektriksel alan ile ilişkili) kelimesi yazarak böyle bir terim oluşturulmuş. Kısaca izah edelim;

Ferroelektrik Malzemeler 

Tanım 

Ferroelektrik olayı kendiliğinden (spontan) elektriksel polarizasyona sahip malzemelerde görülür ve bu  kristal yapıdaki malzemelerde haricen uygulanan bir elektrik alan sayesinde bu polarizasyonun tersine döndürülmesi mümkündür. Kendiliğinden (spontan polarizasyon) kutuplaşma kavramı harici bir elektriksel alan yok iken malzemenin kutuplaşmaya sahip olmasıdır. Tüm ferroelektrik malzemeler kristal yapıda  simetrinin yokluğu nedeniyle piezoelektrik etki gösterirler. Ferroelektrik malzemeleri daimi mıknatıs özelliğine sahip olabilen ferromanyetik malzemelere benzetmek mümkündür. Ferroelektrik, eskiden Seignette elektriği olarak biliniyordu çünkü ilk defa Seignette tuzu (potasyum sodyum tartrat) ile keşfedilmiştir. Tüm ferroelektrikler piezoelektrik ve piroelektriktir, ancak ek olarak harici bir elektrik alanının yokluğunda ters çevrilebilir ve kalıcı hale gelen  makroskopik bir spontan (kendiliğinden) elektrik dipol momentine sahiptirler. Daha daha basit bir deyişle, ferroelektrik kristaller, yönünü değiştirmek için harici bir elektrik alanı uygulanmadığı sürece sabit kalan, belirli bir yönelimli bir akü grubu olarak görülebilir. Kutupsal durumları, yüksek sıcaklıklı, yüksek simetri paraelektrik fazdan düşük sıcaklıklı, düşük simetrili olan ferroelektrik faza yapısal geçişin bir sonucudur. Bu malzemeler ayrıca, kapasitörlerin ve enerji depolama malzemelerinin geliştirilmesinde yararlı olan yüksek dielektrik-sabit yalıtkanlar gibi davranır. 

Her Ferroelektrik Malzeme Aynı Zamanda Piroelektrik Piezoelektrik ve Dielektriktir. 

Malzeme Sınıfları 

Ferroelektrik kristalleri aşağıdaki gibi üç sınıfa ayrılabilir (Tablo): 

1) Curie sıcaklığının üzerinde polarize değilken piezoelektrik özellik gösteren ferroelektrik malzemeler : Kristal sınıfı ortorombik veya dörtgendir. Sadece bir kutuplaşma ekseni ve dolayısıyla sadece iki kutuplaşma yönü vardır. Spontan kutuplaşma mekanik gerilmelerle tersine çevrilebilir. (örneğin, Seignette tuzları ve KDP tipleri). 

2) Polarize değilken piezoelektrik olmayan ferroelektrikler: Kristallerin bir kübik simetriye sahip olması, çok sayıda eşdeğer kutuplaşma yönüne neden olur (örneğin, BaTiO3 tipleri, perovskitler). 

3) Yukarıda bahsedilen iki grubun hiçbirine dahil edilemeyen ferroelektrikler (örneğin, sülfatlar, şaplar, vb.). 

Uygulama Alanları 

Ferroelektrikler son derece hassas mekanik aktüatörler (yer değiştirme elemanları) üretmek için kullanılır. Ters piezoelektrik etki kullanılarak, bir atom çapından daha az bir çözünürlüğe sahip yer değiştirmeler mümkündür. Bu nedenle örneğin atomik kuvvet mikroskoplarında, taramalı tünelleme mikroskoplarında veya diğer tarama probu mikroskoplarında kullanılırlar. 

Ayrıca kalıcı FeRAM belleklerde de, geçici DRAM belleklerdeki kapasitörlere benzer bir bellek elemanı olarak kullanılırlar. 

Ferroelektrik malzemeler, daimi kutuplaşma kabiliyetlerinden ötürü , elektret vazifesi görmek üzere sensörler ve mikrofonlarda kullanılırlar. 

Seramik formundaki ferroelektrik özellikli dielektrikler, çok yüksek dielektrik sabitleri nedeniyle yüksek sığa kapasiteli seramik kondansatörlerde kullanılmakta ve elektrolitik kondansatörlerin yerini almaktadırlar.Düşük eşdeğer seri dirençler ve endüktans (ESR ve ESL) değerleriyle ayırt edilirler, ancak bu malzemelerin sıcaklığa ciddi bir bağımlılıkları, geniş tolerans aralığı ve yüksek dielektrik kayıp faktörleri zayıf yönleridir. 

Malzeme Örnekleri: 

En iyi bilinen ferroelektrikler, perovskit yapılı iyonik kristallerdir; 

Baryum titanat BaTiO3 (kısaltma: BTO) 

Kurşun zirkonat titanat Pb (ZrxTi1-x) O3 (PZT) - genellikle piezo-mekanik aktüatörler yapmak için ullanılır. 

Ayrıca, aşağıdaki maddeler de ferroelektriktir, ancak kısmen sadece ince filmler biçimindedir: 

Stronsiyum bizmut tantalat SrBi2Ta2O9 (SBT) 

Bizmut titanat Bi4Ti3O12 (BIT, ayrıca BTO yanıltıcı) 

Bizmut Lantan Titanate Bi4-xLaxTi3O12 (BLT) 

Bizmut titanat niyobat Bi3TiNbO9 (BTN) 

Stronsiyum Titanate SrTiO3 (STO) 

Baryum stronsiyum titanat BaxSr1-xTiO3 (BST) 

Sodyum nitrit NaN02 

Altıgen Manganat RMnO3, R = Y, Sc, İn, Ho, Er, Tm, Yb, Lu. Bu arada, 1,1-di (karboksimetil) sikloheksan veya triglisin sülfat (CH2NH2COOH) 3. H2S04 (TGS) gibi organik ferroelektrikler de keşfedilmiştir.