Ferroelektrikum

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Ferroelektrizität beschreibt das Phänomen, dass gewisse Stoffe auch ohne das Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes ein elektrisches Dipolmoment aufweisen. Die Richtung der spontanen Polarisation kann bei Ferroelektrika durch ein genügend starkes äußeres elektrisches Feld in die Gegenrichtung umgeklappt werden.

Die Ferroelektrizität wurde früher als Seignette-Elektrizität bezeichnet, da sie am Seignettesalz (Kaliumnatriumtartrat) entdeckt wurde.

Inhaltsverzeichnis 1 Eigenschaften 2 Anwendung 3 Beispiele 4 Weitere Informationen im Internet und Hersteller

[Bearbeiten] Eigenschaften

Ferroelektrizität kommt nur in Kristallen vor, in denen die kristalline Symmetrie eine polare Achse zulässt. Verursacht wird die spontane Polarisation durch spontane Ionenverschiebung im Kristallgitter. Ferroelektrische Stoffe sind deshalb immer pyroelektrisch und somit auch piezoelektrisch. Im Unterschied zu piezoelektrischen Stoffen kann die spontane elektrische Polarisation in Ferroelektrika durch das Anlegen einer Spannung um 180° umgepolt werden.

Die Vorsilbe „Ferro-“ bezieht sich bei den Ferroelektrika nicht auf eine Eigenschaft von Eisen, sondern auf die Analogie zum Ferromagnetismus. Wie bei den Ferromagnetika die Magnetisierung, so verschwindet bei Ferroelektrika die Polarisation bei hohen Temperaturen (der ferroelektrischen Curie-Temperatur) - das Material ist paraelektrisch. Oberhalb dieser Temperatur folgt die Dielektrizitätskonstante analog zur ferromagnetischen Suszeptibilität χ dem Curie-Weiss-Gesetz. Bei Abkühlung des Materials findet bei Unterschreiten ein Phasenübergang statt, der in der Regel mit einer Strukturveränderung (Verringerung der Kristallsymmetrie) zusammenfällt, und das Material wird wieder ferroelektrisch. Die Polarisation kann durch Anlegen eines externen elektrischen Feldes umgepolt werden und folgt dabei einer Hysteresekurve.

Ferroelektrische Kristalle bilden Domänen, also Bereiche mit gleicher Polarisationsrichtung. Von Domäne zu Domäne ändert sich die Polarisationsrichtung im Bereich weniger Atomlagen, in denen die Polarisation verschwindet. Die ferroelektrischen Domänenwände sind nur wenige Nanometer (10^-9 m) breit. Im Gegensatz dazu ändert sich die Orientierung der Magnetisierung beim Ferromagnetismus schrittweise über einen Bereich von 10 nm und mehr. Wegen der schmaleren Domänenwände können unterschiedlich orientierte Domänen in ferroelektrischen Dünnschichten eine höhere Dichte aufweisen als in ferromagnetischen Dünnschichten. Deshalb erhofft man sich eine höhere maximale Informationsdichte bei der Entwicklung ferroelektrischer Speichermedien.

Wie weisen Ferroelektrika neben der Ferroelektrizität auch immer die Pyroelektrizität und Piezoelektrizität auf. Sie zeigen aber noch weitere interessante Eigenschaften, die sie für viele Anwendungen interessant machen.

So besitzen Ferroelektrika eine hohe Dielektrizitätskonstante, in der Nähe des Phasenübergangs. Diese liegt im Bereich , weshalb sie sich auch als Material für Kondensatoren in DRAM-Speicherzellen für Arbeitsspeicher mit hohen Speicherdichten eignen.

Außerdem zeigen sie eine starke Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante, was Kapazitätsänderungen von 1:10 bis 1:20 zwischen 4 Kelvin (Siedetemperatur von Helium unter Normaldruck) und 300 Kelvin (Raumtemperatur) verursacht.

[Bearbeiten] Anwendung

Ferroelektrika werden zur Herstellung höchst präziser mechanischer Aktuatoren (Verschiebeelemente) genutzt. Unter Verwendung des inversen piezolektrischen Effektes sind Verschiebungen mit einer Auflösung von weniger als einem Atomdurchmesser möglich. Sie werden deswegen beispielsweise in Rasterkraftmikroskopen, Rastertunnelmikroskopen oder anderen Rastersondenmikroskopen verwendet.

Außerdem werden sie beim FeRAM als Speicherelement für den Zustand genutzt (analog zu Kondensatoren bei normalem DRAM) und eignen sich aufgrund der permanenten Polarisierbarkeit auch als Elektrete.

[Bearbeiten] Beispiele

Die bekanntesten Ferroelektrika sind Ionenkristalle mit Perowskit-Struktur wie:

• Bariumtitanat BaTiO₃ (Abkürzung: BTO)
• Blei-Zirkonat-Titanat Pb(Zr_xTi_1-x)O₃ (PZT) - wird häufig zur Herstellung piezomechanischer Stellelemente verwendet.

weiterhin sind auch folgende Stoffe ferroelektrisch, teilweise jedoch nur in Form von Dünnschichten:

• Strontium-Bismut-Tantalat SrBi₂Ta₂O₉ (SBT)
• Bismuttitanat Bi₄Ti₃O₁₂ (BIT, manchmal fälschlich BTO)
• Bismut-Lanthan-Titanat Bi_4-xLa_xTi₃O₁₂ (BLT)
• Bismut-Titanat-Niobat Bi₃TiNbO₉ (BTN)
• Strontium-Titanat SrTiO₃ (STO)
• Barium-Strontium-Titanat Ba_xSr_1-xTiO₃ (BST)

Hexagonale Manganate RMnO₃ mit R = Y, Sc, In, Ho, Er, Tm, Yb, Lu. Inzwischen wurden auch organische Ferroelektrika gefunden, wie beispielsweise Cyclohexane-1,1'-Diacetic Acid oder Triglycinsulfat (CH₂NH₂COOH)₃·H₂SO₄ (TGS)

[Bearbeiten] Weitere Informationen im Internet und Hersteller

• www.physikinstrumente.de - Informationen über PZT und Verkauf von PZT-Verschiebeelementen
• www.nanomotion.com - PZT-Verschiebetische