Сегнетоэлектрик

Сегнетоэлектрик (в зарубежной литературе распространено название "ферроэлектрик") — материал, обладающий спонтанной поляризацией, ориентацию которой можно изменить посредством внешнего электрического поля[1]. Такие вещества обладают сегнетоэлектрическим гистерезисом, когда поляризация материала зависит неоднозначно от внешнего электрического поля.

Сегнетоэлектрические фазовые переходы часто характеризуются либо деформационным переходом, (например, BaTiO₃), либо как переходом типа «порядок-беспорядок» (например, NaNO₂), хотя часто фазовые переходы демонстрируют элементы обоих типов поведения. В титанате бария, типичном сегнетоэлектрике происходит переход со смещением (изменение положения атома в элементарной ячейке без деформации кристалла), который можно понять с точки зрения поляризационной катастрофы, при которой, если ион немного смещается из состояния равновесия, сила локальных электрических полей, создаваемых ионами в кристалле увеличивается быстрее, чем упруго-восстанавливающие равновесие силы. Это приводит к асимметричному смещению положений равновесных ионов и, следовательно, к постоянному дипольному моменту элементарной ячейки. Ионное смещение в титанате бария относится к положению иона титана в кислородной октаэдрической клетке. В титанате свинца, другом ключевом сегнетоэлектрическом материале, при довольно похожей структуре на титанат бария, движущая сила для сегнетоэлектричества имеет более сложную природу, а взаимодействия между ионами свинца и кислорода также играют важную роль. В сегнетоэлектрике с переходом порядок-беспорядок для каждой элементарной ячейки существует дипольный момент, но при высоких температурах они направлены случайно. При понижении температуры и прохождении точки фазового перехода диполи упорядочиваются, и все они указывают в одном направлении внутри домена.

Важным сегнетоэлектрическим материалом для приложений является цирконат-титанат свинца (ЦТС), который представляет собой твердый раствор, образованный между сегнетоэлектрическим титанатом свинца и антисегнетоэлектрическим цирконатом свинца. Для разных целей используются разные составы; для ячеек памяти предпочтительным является ЦТС, более близкий по составу к титанату свинца, тогда как в пьезоэлектрических приложениях используются пьезоэлектрические коэффициенты с особенностями, связанные с морфотропной фазовой границей, которая близка к составу 50/50.

Для сегнетоэлектрических кристаллов часто наблюдается несколько температур фазовых перехода и гистерезис доменной структуры, как и для ферромагнитных кристаллов. Природа фазового перехода в некоторых сегнетоэлектрических кристаллах до сих пор не изучена.

В 1974 г. Р. Б. Мейер использовал теорию симметрии для предсказания сегнетоэлектрических жидких кристаллов[2] , что было подтверждено несколькими наблюдениями за поведением, связанным с сегнетоэлектричеством в хиральных наклонных смектических жидкокристаллических фазах. Технология позволила создавать мониторы с плоским экраном. С 1994 по 1999 год массовое производство осуществлялось компанией Canon. Сегнетоэлектрические жидкие кристаллы используются в производстве отражающих LCoS.

В 2010 году Дэвид Филд обнаружил, что пленки обычных химических веществ, таких как закись азота или пропан, также проявляют сегнетоэлектрические свойства. Этот новый класс сегнетоэлектрических материалов демонстрирует «спонтанную поляризацию», а также влияет на электрическую природу пыли в межзвездной среде.

Среди других используемых сегнетоэлектрических материалов можно выделить триглицинсульфат, поливинилиденфторид (ПВДФ) и танталат лития .[3]

Интерес также представляют материалы, которые сочетают одновременно сегнетоэлектрические и металлические свойства при комнатной температуре.[4] Согласно исследованию, опубликованному в 2018 году в Nature Communications[5] ученые смогли создать двумерную плёнку такого материала, который был одновременно «сегнетоэлектрическим» (имел полярную кристаллическую структуру) и проводил электричество.