14.6 Ferroelektrika. Prof. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi WS 2014/15

Transkript

1 14.6 Ferroelektrika 1

2 2

3 3

4 [Hunklinger] 4

5 [Hunklinger] 5

6 Beschreibung der Ferroelektrika 6

7 Beschreibung der Ferroelektrika 7

8 Vergleich der freien Enthalpie vor und nach der Phasenumwandlung in die ferroelektrische Phase 8

9 Benoît Paul Émile Clapeyron ( ) Franz. Physiker Stud. Ecole Polytechnique Russland 1834 Phasendiagramm und Clausius-Clapeyron- Gleichung ab 1844 ENCP Paris [ wikipedia ] 9

10 Vergleich der freien Enthalpie vor und nach der Phasenumwandlung in die ferroelektrische Phase 10

11 Phasenumwandlungen 11

12 Phasenumwandlungen 12

13 Temperaturabhängigkeit 13

14 Temperaturabhängigkeit 14

15 15

16 Domänen 16

17 Domänen 17

18 Hysterese 18

19 Hysterese 19

20 14.7 Antiferroelektrika 20

21 Antiferroelektrika 21

22 Antiferroelektrika 22

23 Antiferroelektrika 23

24 14.8 Piezoelektrika 24

25 25

26 Piezoelektrische Koeffizienten 26

27 Piezoelektrische Koeffizienten 27

28 Beispiel: Kristalliner Quarz (SiO 2 ) 28

29 29

30 30

31 31

32 32

33 33

34 34

35 35

36 PZT 36

37 Piezoelektrischer Effekt [ wikipedia ] 37

38 Piezoelemente [ wikipedia ] 38

39 Piezoelemente [ wikipedia ] 39

40 Piezoelemente xy-versteller 40

41 14.9 Pyroelektrika Der wahre pyroelektrische Effekt beruht auf der Änderung der spontanen Polarisation Ps eines polaren Materials mit der Temperatur. Die Änderung der Polarisation hat eine Änderung der Oberflächenladung des Werkstückes zur Folge, die gemessen werden kann. 41

42 Pyroelektrika [ H. Denoth] 42

43 Pyroelektrika p g = dd/dθ ist der generelle pyroelektrische Koeffizient p s = dp s /dθ (die Änderung der spontanen Polarisation mit der Temperatur) ist der sekundäre pyroelektrische Koeffizient Wünschenswert ist Material mit: 1. p s = δp/dθ, gross 2. ε r möglichst klein, wegen Verstärker hoher Impedanz 3. c p ρ möglichst klein, T Änderung der Umgebung soll auch hohe T Änderung im Material bewirken [ H. Denoth] 43

44 MATERIAL: Tc P ε r C F ( C) (C/µm 2 K) (J/cm 3 K) (C cm/j) EINKRISTALLE LiTaO LiNbO SbN Pb3Ge3O PbTiO KERAMIK PZT PLZT PBZT PZFN PCCWT ca PCCNT PZT-Polymer [ H. Denoth] 44

45 Pyroelektrika Der pyroelektrische Effekt setzt sich zusammen aus dem primären und dem sekundären Effekt. Der primäre Effekt wird durch die Temperaturabhängigkeit der dielektrischen Verschiebung D hervorgerufen. Den sekundären Effekt verursacht die thermische Ausdehnung. Die Güte pyroelektrischer Werkstoffe ist direkt proportional zum pyroelektrischen Koeffizienten pg und umgekehrt proportional zur Dielektrizitätszahl und zur Volumenwärmekapazität C. Die molare Wärmekapazität ist in erster Näherung gleich der Summe der Beiträge der Atomwärmen aller beteiligten Atome. Bei schwereren Atomen wird der Wert von 6.2 cal/molk eingesetzt, bei leichteren Nichtmetallatomen werden tiefere Werte zwischen 1.8 cal/molk bei Kohlenstoff und 5.4 cal/molk bei Phosphor und Schwefel gebraucht. Die wichtigsten pyroelektrischen Werkstoffe sind LiTaO 3 und modifizierte PZT- Keramiken. 45

46 Anwendung: Bewegungsmelder Bewegungsmelder mit 2 Pyroelementen [ wikipedia ] [ H. Denoth] 46

47 Kristallografische Voraussetzungen [ C. Röhr ] 47

48 14.10 Weitere optische Prozesse in Festkörpern [ Bergmann/Schäfer ] 48

49 Absorption durch Störstellen: Exzitonen [Hunklinger] 49

50 Lumineszenz [ Bergmann/Schäfer ] 50

51 Übersicht optische Prozesse im Bändermodell [ Bergmann/Schäfer ] 51

52 [ Bergmann/Schäfer ] 52

53 Brechzahländerung durch Eindiffusion [ Bergmann/Schäfer ] 53