Ferroelektrik

Ferroelektrik on kristalliline aine, millel ilmneb dielektriline polarisatsioon ilma välise elektrivälja mõjuta. Niisugust spontaanset ehk iseeneslikku polarisatsiooni saab välise elektrivälja abil muuta. Sellised omadused avastati kõigepealt Seignette’i soolal (kaaliumnaatriumtartraadil) 1920. aastal. Seetõttu on ferroelektrilised ained olnud pikka aega tuntud senjettelektrikutena. 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 P {\displaystyle P} saab muuta välise elektriväljaga E {\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(ZrxTi1-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 Bi4-xLaxTi3O12 (BLT) vismuttitanaatniobaat Bi3TiNbO9 (BTN) strontiumtitanaat SrTiO3 (STO) baariumstrontiumtitanaat BaxSr1-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