Sắt điện

Sắt điện (tiếng Anh: "Ferroelectricity") là hiện tượng xảy ra ở một số chất điện môi có độ phân cực điện tự phát ngay cả không có điện trường ngoài, và do đó trở nên hưởng ứng mạnh dưới tác dụng của điện trường ngoài. Khái niệm về sắt điện trong các vật liệu mang các tính chất điện, tương ứng với khái niệm "sắt từ" trong nhóm các vật liệu có tính chất từ. Nếu như tính chất sắt từ được phát hiện, nghiên cứu và sử dụng từ rất sớm, thì tính sắt điện lại được phát hiện khá muộn trong lịch sử vào năm 1920 ở muối Rochelle bởi Valasek. Tiếp đầu ngữ "sắt" được sử dụng do sự tương ứng tính chất này mặc dù trong hầu hết các vật liệu sắt điện không hề có chứa sắt.

== Độ phân cực tự phát ==
Cũng tương ứng với từ độ trong các chất sắt từ, trong các vật liệu sắt điện, có tồn tại mômen lưỡng cực điện của các nguyên tử, và độ phân cực được xác định là mật độ của mômen lưỡng cực điện trong một đơn vị thể tích:

Mômen lưỡng cực điện trong chất sắt điện có độ lớn cao, đồng thời có tương tác với nhau (tương tự như tương tác trao đổi trong các chất sắt từ) nên tạo ra sự khác biệt so với các chất điện khác:

== Đômen sắt điện và đường trễ sắt điện ==
Khi đặt vào điện trường ngoài, chất sắt điện sẽ hưởng ứng khác với các chất khác do sự tồn tại của độ phân cực tự phát. Sự hưởng ứng này tạo ra đường trễ sắt điện, có thể được mô tả như sau:

Cũng tương tự như các vật liệu sắt từ, các chất sắt điện cũng có một đặc trưng riêng là sự phân chia thành các đômen sắt điện. Và ngăn cách giữa các đômen sắt điện cũng là các vách đômen. Trong mỗi đômen sắt điện, các mômen lưỡng cực sắp xếp hoàn toàn song song với nhau. Trên toàn vật, độ phân cực trong nhiều đômen có thể định hướng hỗn loạn nhau. Dưới tác dụng của điện trường ngoài, có thể xảy ra hai hiệu ứng tạo nên sự phụ thuộc phi tuyến của độ phân cực vào điện trường ngoài:
Tùy vào cấu trúc hay cách phân chia đômen sắt điện mà cách cách hưởng ứng sẽ khác nhau ở mỗi vật liệu. Khi đặt vào điện trường ngược, cũng dẫn đến những hiệu ứng tương tự, tạo nên quá trình trễ. Như vậy, sự phân chia thành các đômen sắt điện là một tính chất vi mô rất quan trọng của chất sắt điện.

== Nhiệt độ Curie ==
Nhiệt độ Curie cũng là một đặc trưng quan trọng của chất sắt điện. Tính chất sắt điện chỉ có thể xảy ra ở dưới nhiệt độ này, khi đó năng lượng định hướng các mômen lưỡng cực thắng thế so với năng lượng nhiệt (định hướng hỗn loạn). Ở trên nhiệt độ Curie, sự định hướng bị phá hủy bởi năng lượng nhiệt và chất sẽ trở thành một chất "thuận điện", tức là hưởng ứng thuận theo điện trường ngoài, nhưng tuyến tính và yếu hơn nhiều so với chất sắt điện.

== Vật liệu và ứng dụng ==
=== Các loại vật liệu sắt điện ===
Tiếp đầu ngữ "sắt" trong các chất sắt điện là để chỉ tính chất hưởng ứng mạnh dưới điện trường ngoài (tương ứng với "sắt" trong các chất sắt từ), nhưng kỳ thực hầu hết các vật liệu sắt điện đều không chứa sắt. Phần lớn các vật liệu sắt điện là các vật liệu gốm, mà điển hình là các nhóm:
- Perovskite: Là các vật liệu gốm dựa trên cấu trúc perovskite (BaTiO3), một vật liệu sắt điện điển hình mang cấu trúc này là Pb(ZrTi)O được gọi là PZT.
- Nhóm hợp chất KWO (Tungsten Bronze type Compounds) với K là một kim loại hóa trị 2.
- Nhóm hợp chất gốm có cấu trúc lớp nền Bismuth (Bismuth Oxide Layer Structured Ferroelectrics) là nhóm vật liệu gốm có chứa cấu trúc thành các lớp của (BiO).
- Nhóm hợp chất Lithium Niobate và Tantalate (LiNbO, LiTaO)
- Các hợp chất hữu cơ...
=== Ứng dụng của vật liệu sắt điện ===
Ứng dụng phổ biến nhất của các chất sắt điện là làm phần tử cách điện trong các tụ điện, hay các bộ nhớ sắt điện, các ống dẫn sóng, các phần tử áp điện... Gần đây, hướng nghiên cứu đang phát triển mạnh với nền tảng là các chất sắt điện là phát triển các vật liệu "multiferroics" tức là có nhiều tính chất "sắt" trong cùng một vật liệu có khả năng đem lại nhiều ứng dụng to lớn.

== Xem thêm ==
- Sắt từ
- Nhiệt độ Curie
- Áp điện
== Liên kết ngoài ==
- Ferroelectric Ceramics: Processing, Properties & Applications
- A useful starter on ferroelectrics
- A ferroelectrics research group at Stony Brook University