Ferroelektrizität beschreibt das Phänomen, dass gewisse Stoffe ein elektrisches Dipolmoment aufweisen ohne das Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes. Ferroelektrizität kommt nur in Kristallen vor, in welchen die kristalline Symmetrie eine polare Achse zulässt. Ferroelektrische Stoffe sind deshalb immer auch piezoelektrisch und pyroelektrisch. Im Unterschied zu piezoelektrischen Stoffen kann die spontane elektrische Polarisation in Ferroelektrika durch das Anlegen einer Spannung um 180° umgepolt werden. Die Vorsilbe "Ferro-" bezieht sich bei den Ferroelektrika nicht auf eine Eigenschaft von Eisen, sondern auf die Analogie zum Ferromagnetismus: Wie bei den Ferromagnetika die Magnetisierung, so verschwindet bei Ferroelektrika die Polarisation bei hohen Temperaturen - das Material ist paraelektrisch. Bei Abkühlung des Materials findet bei Unterschreiten ein Phasenübergang statt, der in der Regel mit einer Strukturveränderung (Verringerung der Kristallsymmetrie) zusammenfällt, und das Material wird ferroelektrisch. Die Polarisation kann durch Anlegen eines externen elektrischen Feldes umgepolt werden und folgt dabei einer Hysteresekurve. Eine wichtige Anwendung von Ferroelektrika sind die ferroelektrischen Arbeitsspeicher (siehe Ferroelectric Random Access Memory - FRAM).

Ferroelektrische Kristalle bilden Domänen. Als Domäne werden Bereiche mit gleicher Polarisationsrichtung bezeichnet. Von Domäne zu Domäne ändert sich die Polarisationsrichtung im Bereich weniger Atomlagen, in denen die Polarisation verschwindet. Die ferroelektrischen Domänenwände sind nur wenige Nanometer (10^-9 m) breit. Im Gegensatz dazu ändert sich die Orientierung der Magnetisierung beim Ferromagnetismus schrittweise über einen Bereich von 10 nm und mehr. Wegen der schmaleren Domänenwände können unterschiedlich orientierte Domänen in ferroelektrischen Dünnschichten eine höhere Dichte aufweisen als in ferromagnetischen Dünnschichten. Deshalb erhofft man sich eine höhere maximale Informationsdichte bei der Entwicklung ferroelektrischer Speichermedien.

Die Ferroelektrizität verschwindet auf Grund eines Phasenüberganges oberhalb einer kritischen Temperatur, der sogenannten ferroelektrischen Curie-Temperatur (T_C). Oberhalb dieser Temperatur folgt die Dielektrizitätskonstante analog zur ferromagnetischen Suszeptibilität χ dem Curie-Weiss-Gesetz.

Eigenschaften

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Neben der Ferroelektrizität besitzen Ferroelektrika noch andere interessante Eigenschaften:

• Hohe Dielektrizitätskonstante: In der Nähe des Phasenübergangs haben Ferroelektrika sehr hohe Dielektrizitätskonstanten im Bereich $\backslash epsilon\; =$100$\backslash ldots$100000, weshalb sie sich auch als Material für Kondensatoren in DRAM-Speicherzellen für Arbeitsspeicher mit hohen Speicherdichten eignen.

• Starke Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante: Kapazitätsänderungen von 1:10 bis 1:20 zwischen 4 Kelvin (Siedetemperatur von Helium unter Normaldruck) und 300 Kelvin (Raumtemperatur) sind üblich.

• Pyroelektrizität: Eine Abhängigkeit der Oberflächenladungen von der Temperatur bezeichnet man als Pyroelektrizität. Da die spontante Polarisation temperaturabhängig ist, sind alle Ferroelektrika auch pyroelektrisch (sowie auch piezo- und dielektrisch) und eignen sich daher zum Teil als Infrarotdetektoren.

• Piezoelektrizität: Ferroelektrika sind piezoelektrisch: Auf Grund des angelegten elektrischen Feldes, bzw. der Polarisation kommt es zu Verzerrungen des Kristalls (inverser piezoelektrischer Effekt), bzw. durch äußere mechanische Spannungen kann die Größe der Polarisation verändert werden (piezoelektrischer Effekt).

Anwendung

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Ferroelektrika werden zur Herstellung höchst präziser mechanischer Aktuatoren (Verschiebeelemente) genutzt. Unter Verwendung des inversen Piezolektrischen Effektes sind Verschiebungen mit einer Auflösung von weniger als einem Atomdurchmesser möglich. Sie werden deswegen beispielsweise in Rasterkraftmikroskopen, Rastertunnelmikroskopen oder anderen Rastersondenmikroskopen verwendet.

Siehe auch: Ferroelectric Random Access Memory

Beispiele

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Die bekanntesten Ferroelektrika sind Ionenkristalle mit Perowskit-Struktur wie:

• Bariumtitanat BaTiO₃ (Abkürzung: BTO)
• Blei-Zirkonat-Titanat Pb(Zr_xTi_1-xO₃ (PZT) - wird häufig zur Herstellung piezomechanischer Stellelemente verwendet.
• weiterhin sind auch folgende Stoffe ferroelektrisch, teilweise jedoch nur in Form von Dünnschichten: Strontium-Bismut-Tantalat SrBi₂Ta₂O₉ (SBT), Bismuttitanat Bi₄Ti₃O₁₂ (BIT, manchmal fälschlich BTO), Bismut-Lanthan-Titanat Bi_4-xLa_xTi₃O₁₂ (BLT), Bismut-Titanat-Niobat Bi₃TiNbO₉ (BTN), Strontium-Titanat SrTiO₃ (STO), Barium-Strontium-Titanat Ba_xSr_1-xTiO₃ (BST)
• Hexagonale Manganate RMnO₃ mit R = Y, Sc, In, Ho, Er, Tm, Yb, Lu.
• Inzwischen wurden auch organische Ferroelektrika gefunden, wie beispielsweise Cyclohexane-1,1'-Diacetic Acid oder Triglycinsulfat (CH₂NH₂COOH)₃·H₂SO₄ (TGS)

Weitere Informationen im Internet und Hersteller

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• www.physikinstrumente.de - Informationen über PZT und Verkauf von PZT-Verschiebeelementen
• www.nanomotion.com - PZT-Verschiebetische

Siehe auch: Piezoelektrikum

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