نذير بشير
Well-Known Member
السلام عليكم ورحمة الله وبركاته
[2] Evans, J.T. ( 2007 ) Measuring Ferroelectric Hysteresis using Sawyer – Tower Circuit . Radiant Technologies ,Inc. Application Note AN0701-RTI .
[3] Rab K. , Ahn C.H. and Triscone , J.M. ( Eds ). ( 2007 ) . Physics of Ferroelectrics . Topics in Applied Physics ,vol. 105 .Springer- Verlag , Berlin , Heidelberg , Germany .
[4] Jordan , T.L. and Ounaries , Z. ( 2001 ). Piezoelectric Ceramics Characterization . ICASE Report No.2001-28 . NASSA / CR-2001-211225.
[5] Stewart, M. and Cain , M.G. ( 1999 ) . Ferroelectric Hysteresis Measurement and Analysis .National Physical Laboratory ( NPL ) Report CMMT( A ) 152
تحميل المرفقات مشاهدة المرفق 38175
المواد الفيروكهربائيةFerroelectric materials
المقدمة:
قبل البدء في الموضوع لا بد من الحديث عن المواد العازلة
المواد العازلة Dielectric materials :هي المواد التي تُظهر( تبدي ) استقطابا كهربائيا عند تسليط مجال كهربائي خارجي عليها . وهذه المواد تمتلك احد الأنواع التالية من الاستقطاب :
1- الاستقطاب الالكتروني Electronic polarization
2- الاستقطاب الأيوني Ionic polarization
3- الاستقطاب الثنائي Dipolar polarization
المواد العازلة تقسم إلى قسمين رئيسيين هما :
A- المواد الباراكهربائية Paraelectric materials ( normal dielectric ) : هي المواد التي يكون فيها الاستقطاب سببه تسليط مجال كهربائي خارجي فقط . تقسم المواد الباراكهربائية اعتمادا على آلية الاستقطاب إلى ثلاث أنواع هي :
1- المواد غير القطبية Nonpolar materials : تمتلك هذه المواد استقطابا الكترونيا فقط . وكمثال فان اغلب المواد التي تحتوي على نوع واحد من الذرات تنتمي إلى هذا القسم كالسليكون ( Si ) والماس ( C ) .
2- المواد القطبية ( Polar materials ): تمتلك هذه المواد استقطابا أيونيا بالإضافة إلى الاستقطاب الالكتروني مثل البارافين ، CCl4 ، وبعض الأاكاسيد .
3- المواد ثنائية القطبية Dipolar materials : هذه المواد تمتلك الأنواع الثلاثة الرئيسية من الاستقطاب.
B- المواد الفيروكهربائية Ferroelectric materials : هي نوع خاص من المواد العازلة حيث تمتلك هذه المواد استقطابا ذاتيا ( داخلي أو متأصل ) Spontaneous polarization والذي يمكن عكسه باستخدام مجال كهربائي خارجي ( بحيث يكون هذا المجال اكبر أو يساوي Ec ) ضمن مدى معين من درجات الحرارة .
قبل البدء في الموضوع لا بد من الحديث عن المواد العازلة
المواد العازلة Dielectric materials :هي المواد التي تُظهر( تبدي ) استقطابا كهربائيا عند تسليط مجال كهربائي خارجي عليها . وهذه المواد تمتلك احد الأنواع التالية من الاستقطاب :
1- الاستقطاب الالكتروني Electronic polarization
2- الاستقطاب الأيوني Ionic polarization
3- الاستقطاب الثنائي Dipolar polarization
المواد العازلة تقسم إلى قسمين رئيسيين هما :
A- المواد الباراكهربائية Paraelectric materials ( normal dielectric ) : هي المواد التي يكون فيها الاستقطاب سببه تسليط مجال كهربائي خارجي فقط . تقسم المواد الباراكهربائية اعتمادا على آلية الاستقطاب إلى ثلاث أنواع هي :
1- المواد غير القطبية Nonpolar materials : تمتلك هذه المواد استقطابا الكترونيا فقط . وكمثال فان اغلب المواد التي تحتوي على نوع واحد من الذرات تنتمي إلى هذا القسم كالسليكون ( Si ) والماس ( C ) .
2- المواد القطبية ( Polar materials ): تمتلك هذه المواد استقطابا أيونيا بالإضافة إلى الاستقطاب الالكتروني مثل البارافين ، CCl4 ، وبعض الأاكاسيد .
3- المواد ثنائية القطبية Dipolar materials : هذه المواد تمتلك الأنواع الثلاثة الرئيسية من الاستقطاب.
B- المواد الفيروكهربائية Ferroelectric materials : هي نوع خاص من المواد العازلة حيث تمتلك هذه المواد استقطابا ذاتيا ( داخلي أو متأصل ) Spontaneous polarization والذي يمكن عكسه باستخدام مجال كهربائي خارجي ( بحيث يكون هذا المجال اكبر أو يساوي Ec ) ضمن مدى معين من درجات الحرارة .
معلمات ظاهرة الفيروكهربائية Ferroelectric parameter
هنالك ثلاث معلمات رئيسية وهي :
اولا_ الاستقطاب الذاتي Spontaneous polarization (Ps ) : يمثل الاستقطاب الموجود أصلا في المادة ( المتأصل ) قبل أن نسلط عليها مجال كهربائي خارجي .
ثانيا- درجة حرارة كيوري أو درجة حرارة التحول Curie temperature ( Tc ) : تمثل الدرجة حرارية التي تجعل الاستقطاب الذاتي ( spontaneous polarization ) يساوي صفر . ومن جهة أخرى فإنها تمثل درجة الحرارة التي يتحول فيها طور المادة من الطور الفيروكهربائي إلى الطور الباراكهربائي كما في الشكل ( 1 ) .
هنالك ثلاث معلمات رئيسية وهي :
اولا_ الاستقطاب الذاتي Spontaneous polarization (Ps ) : يمثل الاستقطاب الموجود أصلا في المادة ( المتأصل ) قبل أن نسلط عليها مجال كهربائي خارجي .
ثانيا- درجة حرارة كيوري أو درجة حرارة التحول Curie temperature ( Tc ) : تمثل الدرجة حرارية التي تجعل الاستقطاب الذاتي ( spontaneous polarization ) يساوي صفر . ومن جهة أخرى فإنها تمثل درجة الحرارة التي يتحول فيها طور المادة من الطور الفيروكهربائي إلى الطور الباراكهربائي كما في الشكل ( 1 ) .
شكل (1)
حيث أن الشكل أعلاه يمثل تغير الاستقطاب الذاتي لأحد المواد الفيروكهربائية مع درجة الحرارة وكذلك تحول الطور
ثالثا الجهد الكهربائي الحرج Coercive electric field ( Ec ) : هو الجهد اللازم لجعل الاستقطاب الذاتي للمادة Spontaneous polarization ( Ps ) يساوي صفر كما في الشكل (2)
*اكتشفت ظاهرة الفيروكهربائية في عام 1921 في ملح روشيل Rochelle salt (KNaC4H4O6•4H2O )
س \ ما هي علاقة المواد الفيروكهربائية Ferroelectric materials بالمواد البايرو Pyroelectric materials والمواد البيزو Piezoelectric materials ؟
قبل الجواب على هذا السؤال سنقوم بتعريف المواد البيزو piezoelectric materials وتسمى أيضا بالمواد ذات الكهربائية الانضغاطية وهي مواد تقوم بتحويل الجهد الميكانيكي إلى كهربائي وبالعكس
أما المواد البايرو Pyroelectric materials فهي المواد التي تمتلك استقطابا ذاتيا ( Ps ) ولا يشترط أن يكون هذا الاستقطاب قابل للتغيير عند تسليط مجال كهربائي خارجي كما في الشكل ( 1 )
أما الجواب على السؤال أعلاه فهو كما موضح في الشكل الآتي
ثالثا الجهد الكهربائي الحرج Coercive electric field ( Ec ) : هو الجهد اللازم لجعل الاستقطاب الذاتي للمادة Spontaneous polarization ( Ps ) يساوي صفر كما في الشكل (2)
*اكتشفت ظاهرة الفيروكهربائية في عام 1921 في ملح روشيل Rochelle salt (KNaC4H4O6•4H2O )
س \ ما هي علاقة المواد الفيروكهربائية Ferroelectric materials بالمواد البايرو Pyroelectric materials والمواد البيزو Piezoelectric materials ؟
قبل الجواب على هذا السؤال سنقوم بتعريف المواد البيزو piezoelectric materials وتسمى أيضا بالمواد ذات الكهربائية الانضغاطية وهي مواد تقوم بتحويل الجهد الميكانيكي إلى كهربائي وبالعكس
أما المواد البايرو Pyroelectric materials فهي المواد التي تمتلك استقطابا ذاتيا ( Ps ) ولا يشترط أن يكون هذا الاستقطاب قابل للتغيير عند تسليط مجال كهربائي خارجي كما في الشكل ( 1 )
أما الجواب على السؤال أعلاه فهو كما موضح في الشكل الآتي
شكل ( 3 )
حيث يبين الشكل أن المواد الفيروكهربائية هي نوع خاص من المواد البايرو والتي تمثل نوع خاص من المواد البيزو ، وهذه الأنواع الثلاثة من المواد تنتمي إلى المواد العازلة . إن تصنيف المواد كما في الشكل ( 3 ) هو في الحقيقة حسب Classification of materials according to their symmetry and group point .
اذن المواد الفيروكهربائية هي نوع خاص من المواد البيزو ( جميع المواد الفيروكهربائية هي بيزو ولكن ليس كل المواد البيزو هي فيروكهربائية ) .
اذن المواد الفيروكهربائية هي نوع خاص من المواد البيزو ( جميع المواد الفيروكهربائية هي بيزو ولكن ليس كل المواد البيزو هي فيروكهربائية ) .
ظاهرة الهسترة الكهربائية ( أو حلقة الهسترة الكهربائية )Hysteresis loop
إن سبب تسمية هذا النوع من المواد بالفيروكهربائية هو نتيجة التشابه في الخواص ( حلقة الهسترة ) مع المواد الفيرومغناطيسية Ferromagnetic materials . إذن المواد الفيروكهربائية هي مواد لاتحتوي على الحديد في تركيبها .
حيث ان الشكل ( 4 ) يمثل حلقة الهسترة الكهربائية ( لاحظ أن الشكل يشبه حلقة الهسترة المغناطيسية ومن هنا جاءت التسمية حيث أن ظاهرة الـ Ferromagnetism اكتشفت قبل ظاهرة الـ Ferroelectricity ) .
حيث ان الشكل ( 4 ) يمثل حلقة الهسترة الكهربائية ( لاحظ أن الشكل يشبه حلقة الهسترة المغناطيسية ومن هنا جاءت التسمية حيث أن ظاهرة الـ Ferromagnetism اكتشفت قبل ظاهرة الـ Ferroelectricity ) .
شكل(4-a) شكل (4-b )
شكل ( 4 ) : حلقة الهسترة الكهربائية Electrical Hysteresis loop
حيث الشكل(4) يمثل العلاقة بين الاستقطاب الكهربائي P والمجال الكهربائي E .في الشكل ( 4-a ) ظهور حلقة الهسترة ( عندما T < Tc ) وعند زيادة درجة الحرارة يبدأ الشكل بالاضمحلال ( اختفاء حلقة الهسترة ) إلى أن يصبح كما في الشكل ( 4-b ) عندما (T ≥ Tc) حيث يصبح الاستقطاب الذاتي يساوي صفر لذلك فان المادة أصبحت باراكهربائية Paraelectric .
ولأجل دراسة ظاهرة الهسترة الكهربائية نستخدم Sawyer Tower circuit كما في الشكل ( 5 ) . حيث نقوم بحساب Ps و Ec و Tc .
ولأجل دراسة ظاهرة الهسترة الكهربائية نستخدم Sawyer Tower circuit كما في الشكل ( 5 ) . حيث نقوم بحساب Ps و Ec و Tc .
الميزة الثانية التي تمتاز بها المواد الفيروكهربائية هي امتلاكها لثابت عزل كهربائي كبير نسبيا High value of dielectric constant ( εr ) ( وكمثال يكون ثابت العزل الكهربائي εr لمادة BaTiO3 تقريبا بين 1000 الى 10000 عند درجة حرارة الغرفة )
الجدول التالي يوضح بعض المواد الفيروكهربائية وبعض المعلمات الخاصة بها
الجدول التالي يوضح بعض المواد الفيروكهربائية وبعض المعلمات الخاصة بها
مشاهدة المرفق 38177
مشاهدة المرفق 38175وان غالبية المواد الفيروكهربائية تعود إلى التركيب المسمى بالبيروفسكايت Perovskite structure وهو تركيب خاص من التراكيب البلورية له الصيغة ABO3 كما في الشكل ( 6 )
مشاهدة المرفق 38175وان غالبية المواد الفيروكهربائية تعود إلى التركيب المسمى بالبيروفسكايت Perovskite structure وهو تركيب خاص من التراكيب البلورية له الصيغة ABO3 كما في الشكل ( 6 )
شكل ( 6 ) : تركيب البيروفسكايت Perovskite structure
وكمثال على المواد الفيروكهربائية التي تعود إلى هذا التركيب فهي
وكمثال على المواد الفيروكهربائية التي تعود إلى هذا التركيب فهي
Calcium Titanate CaTiO3
Barium Titanate BaTiO3
Strontium Titanate SrTiO3
Lead Titanate PbTiO3
Barium Strontium Titanate BaxSr1-xTiO3
Lead Zirconate Titanate (PZT) PbTixZr1-xO3
Lead Lanthanum Zirconate Titanate (PLZT) PbyLa1-yTixZr1-xO3
Lead Magnesium Niobate (PMN) PbxMg1-xNbO3
Potassium Niobate KNbO3
Potassium Sodium Niobate KxNa1-xNbO3
Potassium Tantalate Niobate K(TaxNb1-x)O3
أما أشهر المركبات الفيروكهربائية فهي مادة تيتانات الباريوم BaTiO3 تمتاز هذه المادة بان لها قيمة كبيرة من ثابت العزل الكهربائي ولها عدة تحولات طوريه ( Phase transition ) كما في الشكل التالي
شكل ( 7 ) : الشكل يوضح تغير ثابت الغزل الكهربائي مع درجة الحرارة ونلاحظ ظهور التحولات الطورية كما نلاحظ درجة حرارة التحول ( وهي 120 °C لمادة تيتانات الباريوم )
وقبل الختام لابد من ذكر بعض تطبيقات المواد الفيروكهربائية
1- تدخل في صناعة متحسسات الموجات فوق الصوتية ( كما في أجهزة السونار )
2- تدخل في صناعة الكواشف Detectors ( مثل الكواشف الحرارية ذات الدقة العالية Thermal detector و بعض كواشف الغازات عالية الحساسية )
3- تدخل في مجال صناعة الالكترونيات وبشكل خاص في صناعة المتسعات الفائقة السرعة High speed capacitors والمتسعات السيراميكية والمتسعات السيراميكية متعددة الطبقات Multilayer ceramic capacitors (MLCCs) التي تمتاز بان حجمها صغير جدا ولها سعة خزنها عالية ( كالمتسعات المستعملة في الهواتف النقالة ) وكذلك في صناعة ترانسستورات الموسفيت MOSFET .
4- لها تطبيقات عديدة في مجال البصريات ( في حالة تحضيرها كـ single crystal )
5- غير ذلك من التطبيقات
المصادر
[1] Kao , K.C. ( 2004 ) . Dielectric Phenomena in Solid . Elsevier. Academic press. Amsterdam , London ,New York .وقبل الختام لابد من ذكر بعض تطبيقات المواد الفيروكهربائية
1- تدخل في صناعة متحسسات الموجات فوق الصوتية ( كما في أجهزة السونار )
2- تدخل في صناعة الكواشف Detectors ( مثل الكواشف الحرارية ذات الدقة العالية Thermal detector و بعض كواشف الغازات عالية الحساسية )
3- تدخل في مجال صناعة الالكترونيات وبشكل خاص في صناعة المتسعات الفائقة السرعة High speed capacitors والمتسعات السيراميكية والمتسعات السيراميكية متعددة الطبقات Multilayer ceramic capacitors (MLCCs) التي تمتاز بان حجمها صغير جدا ولها سعة خزنها عالية ( كالمتسعات المستعملة في الهواتف النقالة ) وكذلك في صناعة ترانسستورات الموسفيت MOSFET .
4- لها تطبيقات عديدة في مجال البصريات ( في حالة تحضيرها كـ single crystal )
5- غير ذلك من التطبيقات
المصادر
[2] Evans, J.T. ( 2007 ) Measuring Ferroelectric Hysteresis using Sawyer – Tower Circuit . Radiant Technologies ,Inc. Application Note AN0701-RTI .
[3] Rab K. , Ahn C.H. and Triscone , J.M. ( Eds ). ( 2007 ) . Physics of Ferroelectrics . Topics in Applied Physics ,vol. 105 .Springer- Verlag , Berlin , Heidelberg , Germany .
[4] Jordan , T.L. and Ounaries , Z. ( 2001 ). Piezoelectric Ceramics Characterization . ICASE Report No.2001-28 . NASSA / CR-2001-211225.
[5] Stewart, M. and Cain , M.G. ( 1999 ) . Ferroelectric Hysteresis Measurement and Analysis .National Physical Laboratory ( NPL ) Report CMMT( A ) 152
تحميل المرفقات مشاهدة المرفق 38175
