A ferroelektromosság egy lenyűgöző jelenség, amely bizonyos anyagokban figyelhető meg, és amelynek köszönhetően ezek az anyagok külső elektromos tér hiányában is spontán elektromos polarizációval rendelkeznek. Ez a polarizáció ráadásul külső elektromos tér hatására megváltoztatható és átkapcsolható, ami számos technológiai alkalmazás alapját képezi. Ebben a részletes cikkben feltárjuk a ferroelektromosság alapelveit, a ferroelektromos anyagok sokszínűségét, előállítási módszereiket és a legfontosabb területeket, ahol ezt a különleges tulajdonságot kiaknázzák.
A ferroelektromosság lényegében azt jelenti, hogy egy anyag képes tartós elektromos dipólusmomentummal rendelkezni még külső elektromos tér nélkül is. Ezt a spontán polarizációt az anyag kristályszerkezetében lévő ionok aszimmetrikus elrendeződése okozza. A ferroelektromos anyagok egyik kulcsfontosságú jellemzője, hogy ez a spontán polarizáció egy külső elektromos tér hatására átkapcsolható egy ellentétes irányú polarizációba. Ez az átkapcsolási folyamat nemlineáris, és gyakran hiszterézist mutat, ami azt jelenti, hogy a polarizáció változása nem követi azonnal a külső tér változását.
A spontán polarizáció kialakulásának hátterében az anyag atomi vagy molekuláris szintű felépítése áll. A ferroelektromos kristályokban az elemi cella nem rendelkezik inverziós szimmetriával. Ez azt jelenti, hogy a pozitív és negatív töltések súlypontja nem esik egybe, ami egy állandó dipólusmomentumot eredményez az elemi cellában. Amikor ezek az elemi dipólusmomentumok egy irányba rendeződnek a makroszkopikus térfogatban, akkor alakul ki a spontán polarizáció. Különböző típusú kristályrácsok teszik lehetővé a ferroelektromosság megjelenését, mint például a perovskit szerkezet (pl. bárium-titanát), a rutil szerkezet és más komplex oxidok.
A hiszterézis hurok a ferroelektromos anyagok egyik legjellegzetesebb tulajdonsága. Ha egy ferroelektromos anyag polarizációját a külső elektromos tér függvényében ábrázoljuk, egy S-alakú görbét kapunk, amelyet hiszterézis huroknak nevezünk. Ez a hurok azt mutatja, hogy a polarizáció nemcsak a pillanatnyi elektromos tér erősségétől függ, hanem a korábbi történetétől is. A hurok jellemző paraméterei közé tartozik a remanens polarizáció (a polarizáció a külső tér eltávolítása után) és a koercitív tér (az a tér, amelyre szükség van a polarizáció nullára csökkentéséhez). A hiszterézis hurok alakja és mérete információt hordoz az anyag ferroelektromos tulajdonságairól és minőségéről.
Minden ferroelektromos anyag rendelkezik egy kritikus hőmérséklettel, amelyet Curie-hőmérsékletnek nevezünk ($T_C$). E fölött a hőmérséklet fölött az anyag elveszíti ferroelektromos tulajdonságait, és egy egyszerűbb, paraelektromos fázisba megy át. Ebben a paraelektromos fázisban az anyag továbbra is polarizálható külső elektromos térrel, de nem rendelkezik spontán polarizációval. A Curie-hőmérséklet az anyag kristályszerkezetének megváltozásával függ össze, amely a szimmetria növekedéséhez vezet, megszüntetve a spontán polarizáció lehetőségét. A Curie-hőmérséklet értéke anyagtól függően változik, és kritikus paraméter az adott anyag alkalmazásának szempontjából.
A ferroelektromosságot mutató anyagok széles skáláját ismerjük, amelyek kémiai összetételükben és kristályszerkezetükben jelentősen eltérhetnek egymástól. Ez a sokféleség lehetővé teszi, hogy a különböző alkalmazási területek igényeinek megfelelő tulajdonságokkal rendelkező anyagokat válasszunk vagy fejlesszünk.
Az oxid ferroelektromosok képezik a ferroelektromos anyagok egyik legfontosabb csoportját. Közülük is kiemelkedik a perovskit szerkezet ($ABO_3$), ahol az A helyén általában nagyméretű kationok (pl. bárium, stroncium, ólom), a B helyén pedig kisebb, átmeneti fémionok (pl. titán, cirkónium, tantál, nióbium) találhatók. A perovskit szerkezet jellegzetessége a B-O kötés polarizálhatósága és a B ion elmozdulásának lehetősége az oxigén oktaéder közepéről, ami a spontán polarizációhoz vezet. Néhány fontos példa a perovskit típusú ferroelektromos anyagokra a bárium-titanát ($BaTiO_3$), a ólom-cirkonát-titanát ($Pb(Zr_xTi_{1-x})O_3$ vagy PZT) és a stroncium-titanát ($SrTiO_3$, amely bizonyos körülmények között szintén ferroelektromos lehet).
A bárium-titanát az egyik legrégebben és legintenzívebben kutatott ferroelektromos anyag. Jól definiált ferroelektromos tulajdonságokkal rendelkezik szobahőmérséklet közelében (Curie-hőmérséklete kb. $130^\circ C$). Széles körben alkalmazzák kondenzátorokban, szenzorokban és nemlineáris optikai eszközökben. A bárium-titanát polikristályos kerámiák formájában és vékonyrétegekben is előállítható, tulajdonságai pedig adalékolással tovább finomíthatók.
Az ólom-cirkonát-titanát (PZT) egy komplex oxid, amely a ólom-titanát ($PbTiO_3$) és a ólom-cirkonát ($PbZrO_3$) szilárd oldata. A PZT kiemelkedően jó piezoelektromos tulajdonságokkal rendelkezik, ami azt jelenti, hogy mechanikai feszültség hatására elektromos töltést generál, és fordítva, elektromos tér hatására deformálódik. Emiatt a PZT-t széles körben használják szenzorokban, aktuátorokban, ultrahangos transzducerokban és nem felejtő memóriákban (FeRAM).
A perovskit szerkezet mellett más oxidok is mutathatnak ferroelektromosságot. Ide tartoznak például a réteges perovskitok (Ruddlesden-Popper fázisok), a volfram-bronz szerkezetű anyagok (pl. bárium-stroncium-niobát, BSN), valamint bizonyos bizmut-tartalmú oxidok. Ezek az anyagok gyakran speciális tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek bizonyos alkalmazásokban előnyösek lehetnek.
Bár az oxid ferroelektromosok dominálnak a területen, léteznek nem-oxid ferroelektromosok is. Ide tartoznak bizonyos szervetlen vegyületek, például a kálium-dihidrogén-foszfát ($KH_2PO_4$ vagy KDP) és a triglicin-szulfát ($(NH_2CH_2COOH)_3 \cdot H_2SO_4$ vagy TGS), valamint néhány szerves polimer is. Ezek az anyagok gyakran eltérő fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek az oxidokhoz képest, ami új alkalmazási lehetőségeket nyithat meg.
A kálium-dihidrogén-foszfát (KDP) egy jól ismert nem-oxid ferroelektromos kristály. Bár ferroelektromos tulajdonságai alacsony hőmérsékleten jelentkeznek, kiemelkedő nemlineáris optikai tulajdonságai miatt széles körben használják lézerekben és más optikai eszközökben frekvencia-konverzióra és Q-kapcsolásra.
A triglicin-szulfát (TGS) egy szerves ferroelektromos kristály, amely kiváló piroelektromos tulajdonságokkal rendelkezik. A piroelektromosság azt jelenti, hogy az anyag hőmérsékletváltozás hatására elektromos töltést generál. Emiatt a TGS-t és származékait (pl. DTGS) gyakran használják infravörös detektorokban és hőkamerákban.
A ferroelektromos polimerek, mint például a poli(vinilidén-fluorid) (PVDF) és kopolimerjei, egy viszonylag újabb osztályát képviselik a ferroelektromos anyagoknak. Ezek az anyagok ötvözik a ferroelektromosságot a polimerek mechanikai rugalmasságával és könnyű feldolgozhatóságával, ami új alkalmazásokat tesz lehetővé, például rugalmas elektronikai eszközökben és orvosi szenzorokban.
A ferroelektromos anyagok előállítása a kívánt alkalmazástól és az anyag típusától függően számos különböző módszerrel történhet. Ezek a módszerek magukban foglalják a tömbi kerámiák szintézisét, a vékonyrétegek előállítását és a kristályok növesztését.
A ferroelektromos kerámiák előállításának egyik legelterjedtebb módja a szilárdtest reakciók alkalmazása. Ebben a folyamatban a kiindulási oxid porokat (pl. bárium-karbonát és titán-dioxid a bárium-titanát esetében) megfelelő arányban összekeverik, majd magas hőmérsékleten (szinterezés) reagáltatják. A szinterezés során a por szemcsék összetömörülnek és összenőnek, sűrű polikristályos anyagot képezve. A szinterezési paraméterek (hőmérséklet, idő, atmoszféra) kritikusak a végtermék mikrostruktúrájának és tulajdonságainak szempontjából.
A ferroelektromos vékonyrétegek előállítása kulcsfontosságú a mikroelektronikai és optikai alkalmazásokhoz. Számos különböző vékonyréteg-leválasztási technika létezik, mint például a porlasztás (sputtering), a lézeres abláció (pulsed laser deposition, PLD), a kémiai gőzfázisú leválasztás (chemical vapor deposition, CVD) és a szol-gél módszer. Mindegyik technikának megvannak a maga előnyei és hátrányai a réteg minősége, a növekedési sebesség és a költség szempontjából.
A porlasztás egy olyan vákuumtechnológia, amelyben egy ionizált gáz (általában argon) ionjaival bombáznak egy céltárgyat (a leválasztandó anyagot). Az ütközések hatására atomok vagy atomcsoportok lökődnek ki a céltárgyból, amelyek aztán a szubsztráton kondenzálódnak vékonyréteget képezve.
A lézeres abláció során egy nagy energiájú impulzuslézerrel célozzák meg a leválasztandó anyagból készült céltárgyat vákuumban. A lézerimpulzus hatására az anyag egy plazmafelhő formájában távozik a céltárgyról, majd a szubsztráton vékonyréteget képez.
A kémiai gőzfázisú leválasztás során illékony prekurzor vegyületeket vezetnek egy reaktorba, ahol a felhevített szubsztrát felületén kémiai reakcióba lépnek, szilárd vékonyréteget képezve.
A szol-gél módszer egy kémiai eljárás, amelyben fém-organikus prekurzorok oldatából (szol) hidrolízis és kondenzáció révén egy gél állagú anyag képződik. A gélt ezután szárítják és hőkezelik, hogy a kívánt oxid vékonyréteget megkapják.
Bizonyos alkalmazásokhoz, különösen az optikai és a fundamentális kutatásokhoz, magas minőségű ferroelektromos egykristályokra van szükség. Számos kristálynövesztési technika létezik, mint például a Czochralski-módszer, a Bridgman-Stockbarger-módszer és a fluxus növesztés. Ezek a módszerek lehetővé teszik nagyméretű, hibamentes egykristályok előállítását kontrollált körülmények között.
A Czochralski-módszer során egy olvadékba mártanak egy csírakristályt, majd lassan kihúzzák és forgatják. A