Što je feroelektrična keramika?

Feroelektrična keramika je klasa kristalnih piroelektričnih materijala – to jest materijala koji postaju električno polarizirani kada se ohlade ispod određene temperature. Kritična temperatura u tom pogledu je Curiejeva točka, koja je možda poznatija kao temperatura iznad koje feromagnetski materijali poput željeza gube svoj magnetizam. Međutim, izraz feroelektrik nema izravnu vezu sa željezom. U materijalima koji pokazuju feroelektrični učinak, polaritet se može obrnuti pod utjecajem električnog polja odgovarajuće orijentacije. Mnogi keramički materijali s ovim svojstvom mogu se proizvesti zagrijavanjem praškastih sastojaka na potrebnu temperaturu i dopuštanjem kristalizacije kako se materijal hladi.

Materijali koji pokazuju ovo svojstvo obično imaju kristalnu strukturu perovskita, termin koji dolazi od minerala perovskita (CaTiO3) ili kalcijevog titanata. Ovi spojevi imaju opću formulu ABX3, gdje je A veliki kation, B je mnogo manji kation, a X je anion, obično kisik. Kristalna struktura ovih materijala je takva da “A” kationi tvore kubičnu rešetku s unutar svake kocke, “B” kationom okruženom sa šest “X” aniona. Perovskitne strukture nemaju centar simetrije, jer kation “B” ima tendenciju da se pomakne od središta – to je bitno za feroelektrični efekt. Primjeri feroelektrične keramike s ovom vrstom kristalne strukture su barijev titanat (BaTiO3), olovni titanat (PbTiO3) i kalijev niobat (KNbO3).

Kada se primjenjuje električno polje, kationi “B” mijenjaju položaj unutar kristalne rešetke prema orijentaciji polja i ostaju u tim položajima kada je polje isključeno. To dovodi do toga da materijal postaje električno polariziran. Položaji “B” kationa mogu se, međutim, promijeniti primjenom električnog polja drugačije orijentacije. Na taj način feroelektrična keramika može snimati informacije i stoga se može koristiti za memoriju računala.

Jedna od najvažnijih primjena feroelektričnosti je feroelektrična memorija slučajnog pristupa (FRAM). Ovo nudi vrlo brzu pohranu i dohvat podataka, uz prednost što se pohranjeni podaci čuvaju kada nema napajanja. Feroelektrična keramika je također vrlo prikladna za korištenje u kondenzatorima. Višeslojni kondenzatori koji se sastoje od stotina tankih listova barijevog titanata s tiskanim elektrodama proizvode se u velikim količinama i imaju široku primjenu, na primjer u ultrazvučnim slikama i infracrvenim kamerama visoke osjetljivosti. Ostale primjene uključuju tankoslojnu feroelektričnu keramiku, koja se može koristiti u optičkim valovodima i optičkim memorijskim zaslonima.