Ferromagnetismus ist ein allzu häufiges Phänomen, von dem Sie wahrscheinlich auch Zeugnis abgelegt haben, auch wenn der Name ungewohnt klingt. Ferroelektrizität hingegen haben Sie vielleicht noch nicht gehört, funktioniert aber nach fast denselben Prinzipien.
Ferromagnetismus ist die Eigenschaft eines Materials, dass es magnetisch wird, wenn es einem Magnetfeld ausgesetzt wird. Aus diesem Grund können wir einen Magneten verwenden, um Schrauben oder andere Metalle aufzunehmen, die keine eigenen Magnete sind. Ferroelektrizitätfunktioniert ähnlich, jedoch mit elektrischen Feldern. Wenn ein ferroelektrisches Material einem ausreichend starken elektrischen Feld ausgesetzt wird, wird es elektrisch polarisiert.
Wenn Sie für eine Sekunde sichern, kann der Name Ferroelektrizität dazu führen, dass Sie auf Ihre Schulzeit zurückblicken, in der Sie wahrscheinlich etwas über Eisenmaterialien oder Materialien gelernt haben, die in einem Teil von Eisen bestehen. Der Ferromagnetismus hat seinen Namen von dieser Eigenschaft mit demDie wichtigsten ferromagnetischen Materialien sind Eisen, Kobalt und Nickel. Die Ferroelektizität hat ihren Namen nicht vom Eisenpräfix, sondern heißt, weil sie im Prinzip ähnlich wie der Ferromagnetismus funktioniert.
Funktionsweise ferroelektrischer Materialien
Ferromagnetische Materialien bestehen aus vielen Domänen, deren Nord- und Südpol alle in unterschiedliche Richtungen weisen. Im Wesentlichen winzige Magnete, die über das gesamte Material verteilt sind. Wenn ein Magnetfeld in den Bereich eines ferromagnetischen Materials gelangt, beginnen alle Pole dieser Domänen mit t o mit dem Feld ausrichten und dabei wird das Material selbst zum Magneten.
Dies gilt auch für ferroelektrische Materialien. Auch diese haben viele kleine Domänen oder Kristalle in dem Material, das als elektrische Dipole fungiert. Ein Dipol bedeutet einfach, dass er eine separate positive und negative Ladung im Kristall hat. Wenn ein elektrisches Feld mit diesen Kristallen in Kontakt kommt, richten sich alle Dipole an.oder in die gleiche Richtung zeigen und dem Material insgesamt eine positive und negative Seite geben.
Die coolste und praktischste Funktion ferroelektrischer Materialien besteht darin, dass die Dipole beim Entfernen des elektrischen Feldes in der Richtung ausgerichtet bleiben, in der sie sich befanden. Dies gibt ferroelektrischen Materialien ein "Gedächtnis".
Dieses Gedächtnis ist in der Tat so stark, dass wenn ein neues elektrisches Feld an das ferroelektrische Material angelegt wird, während die Ausrichtung der Dipole die Polarisation wechselt, sie hintereinander zurückbleiben und sich langsamer ändern. Das Phänomen - oder besser gesagt wasverursachte dieses Phänomen - war für einige Zeit ein Rätsel, und es wurde als Hysterese bekannt.
Das Prinzip der Hysterese
Erst 1935 fand der deutsche Forscher und Wissenschaftler Ferenc Preisach die wahre Ursache für die Hysterese in ferroelektrischen Materialien. Er beschrieb die Kristalle in ferroelektrischen Materialien als Hysteronen. Diese Hysteronen konnten ihre Dipolrichtung wie erwähnt ändern, aberSie könnten dies auch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten tun, und die Stärke des Feldes, die zum Ändern jedes einzelnen benötigt wird, könnte innerhalb eines Materials unterschiedlich sein. Dies bedeutet, dass in einem ferroelektrischen Material möglicherweise ein schwaches Hysteron neben einem starken vorhanden ist, was bedeutet, dass dies der Fall istNehmen Sie ein starkes elektrisches Feld, um beide in Einklang zu bringen. Dieser Unterschied im kritischen Feld oder in der maximalen Feldstärke, bei der die Polarisation umschaltet, erzeugt eine Hysterese in einem ferroelektrischen Material.
Dies alles passt in etwas, das als Preisachs Modell bekannt ist und das Verhalten von ferroelektrischen Materialien beschreibt, das seit einiger Zeit ein Rätsel war. Aber hier ist die Sache.
Preisachs Modell beschrieb das "Wie" des Verhaltens von Hysteronen und ferroelektrischen Materialien. Was es nicht beantwortete, ist die Frage nach dem "Warum". Zum Beispiel W Was sind die Hysteronen? Warum unterscheiden sich ihre kritischen Felder so sehr wie sie? Niemand wusste wirklich, was vor sich ging, was dazu führte, dass Hysteronen so funktionierten wie auf molekularer Ebene. Bis sie schließlich fast ein Jahrhundert später, im Jahr 2018, entdeckt wurden.
Die Forscher beobachteten ferroelektrische Materialien sehr detailliert und fanden zylindrische Stapel scheibenförmiger Moleküle mit einer Breite von etwa einem Nanometer und mehreren Nanometern. Es wurde gezeigt, dass diese Stapel Hysteronen sind und stark miteinander interagieren. Jeder Stapel hat jedoch einen anderenAus diesem Grund hängt die Polarisationsrate von der Nanostruktur jedes Stapels und der Art und Weise ab, wie die Stapel miteinander interagieren.
Dies ist in der Abbildung unten dargestellt. aus der Forschung veröffentlicht im Jahr 2018, in dem diese Entdeckung detailliert beschrieben wurde.
Aber wie genau ist all diese zugrunde liegende Wissenschaft auf das moderne Leben anwendbar? Mit anderen Worten, warum sollten wir uns für ferroelektrische Materialien interessieren? Die Antwort auf diese Frage kommt auf ihre Fähigkeit zurück, sich an die Polarität zu "erinnern". Moleküle, die Speicher speichern, sind perfekt fürAnwendungen wie Computerspeicher ... na ja, fast.
Die Anwendung von ferroelektrischen Materialien
Ferroelektrische Materialien waren bis vor kurzem nicht wirklich ideal für Computerspeicher oder sogar in dieser Branche nützlich. Die Materialien hatten ein Skalierungsproblem, was bedeutet, dass es schwierig war, ferroelektrische Materialien zu erstellen, die klein genug sind, um effizient in einen Computer zu passenfür den größten Teil ihrer Geschichte. Wenn traditionelle ferroelektrische Hysteronen auf das erforderliche Maß verkleinert werden, verlieren sie ihre Fähigkeit, Speicher zu speichern oder in die Hysterese einzutreten, und arbeiten daher nicht für den beabsichtigten Zweck.
2018 Forschung wurde veröffentlicht detailliert die Erzeugung ferroelektrischer Materialien in einem Maßstab, der klein genug für Computerspeicher war. Noch kühler war das Substrat, auf dem die Forscher die ferroelektrischen Kristalle züchten konnten, auch ferromagnetisch, was bedeutet, dass theoretisch magnetische und elektrische Speicher verpackt werden konntenauf dasselbe Laufwerk, wodurch die Speicherkapazität exponentiell erhöht wird.
Während diese Forschung einen großen Fortschritt für ferroelektrische Materialien und für eine mögliche Anwendung in großem Maßstab darstellte, ist es noch ein langer Weg, bis das Konzept so konkretisiert ist, dass es kommerziell realisierbar und skalierbar ist. Ferroelektrische Antriebe können jedoch zu einem Computer werdenAufbewahrungstechnik der Zukunft.
Aber es ist noch nicht alles verloren! Es gibt auch andere Anwendungen für ferroelektrische Materialien, insbesondere für Elektrotechniker.
Andere Anwendungen für Ferroelektrizität
Ferroelektrische Materialien können eine hohe Permittivität aufweisen, was bedeutet, dass sie gut elektrische Energie speichern können. Dies macht Ferroelektrika zu einem geeigneten Material für die Erzeugung von Kondensatoren. Die zugrunde liegende Reaktion auf elektrische Felder, die ferroelektrische Materialien zeigen, bedeutet auch, dass sie als Indikatoren verwendet werden könnenoder Schalter in anderen Geräten.
Zum Beispiel haben sie einen direkten piezoelektrischen Effekt, was sie für Beschleunigungsmesser, Mikrofone und Kopfhörer nützlich macht. Etwas mehr: Ferroelektrische Materialien können als Reaktion auf mechanische Beanspruchung eine kleine Ladung erzeugen, was nützlich istUmwandlung physikalischer Kräfte wie Beschleunigung oder Schall in elektrische Signale, wie sie in den genannten Geräten benötigt werden.
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Die Fähigkeit ferroelektrischer Materialien, einen piezoelektrischen Effekt zu zeigen, funktioniert auch umgekehrt, oder vielmehr, sie haben auch einen umgekehrten piezoelektrischen Effekt, wenn durch Anlegen eines elektrischen Feldes eine mechanische Spannung erzeugt wird. Dies ist eine Reaktion auf die Verschiebung der DipolePolarität, und es macht ferroelektrische Materialien auch perfekt für Dinge wie Aktuatoren, Resonatoren und Filter.
Ferroelektrizität und die Materialien, die diese Eigenschaft besitzen, werden immer nützlicher, da die Forschung rund um die zugrunde liegende Physik immer intensiver wird. Es wird wahrscheinlich nicht lange dauern, bis Ferroelektrizität in der Welt um uns herum ein ebenso grundlegendes Prinzip darstellt wie Ferromagnetismus.Während Ferroelektrizität seit einiger Zeit bekannt ist, wurden die meisten grundlegenden Untersuchungen zu ihrer Verwendung im letzten Jahrzehnt durchgeführt.
Ferroelektrizität erweist sich derzeit als ein weiterer wichtiger Bestandteil der Materialwissenschaft.