La ferroelettricità è definita dalla polarizzazione reversibile attraverso l’applicazione di un campo elettrico. Una polarizzazione spontanea diversa da zero è presente in molti cristalli con un gruppo spaziale polare tuttavia, la ferroelettricità implica necessariamente la capacità di diffusione rotazionale di dipoli orientabili sotto l’azione di un campo elettrico applicato.
Il termine ferroelettricità risale al 1912 quando Erwin Schrödinger usò il termine “ferroelektrisch” in analogia al ferromagnetismo per materiali con polarizzazione elettrica permanente. La ferroelettricità fu osservata per la prima volta nel 1920 dal fisico statunitense Joseph Valasek nel sale di Rochelle noto per mostrare un comportamento piezoelettrico.
La ricerca di Valasek fu guidata da precedenti osservazioni della risposta anomala del sale di Rochelle alle forze applicate e ai campi elettrici, come la generazione di carica piezoelettrica che devia dalla consueta relazione lineare con la forza applicata, o le proprietà dielettriche che variano con la tensione applicata.
Il fosfato monobasico di potassio, o KDP, fu scoperto solo 13 anni dopo da Paul Scherrer e Georg Busch e si scoprì che mostrava una fase ferroelettrica a una temperatura inferiore a 122 K.
struttura perovskitica
Tuttavia, come per il sale di Rochelle, le applicazioni del KDP erano inizialmente limitate, poiché entrambi i materiali sono fragili e solubili in acqua. Fu solo la scoperta della ferroelettricità in un materiale stabile, in particolare un ossido di perovskite ovvero il titanato di bario precedentemente noto per possedere un’elevata costante dielettrica, a dare inizio agli studi sulla ferroelettricità.
La dimostrazione della ferroelettricità in un materiale inorganico stimolò la ricerca su altri ossidi di perovskite, portando alla scoperta di altri materiali come le composizioni PbZrO3 –PbTiO3 che ora vengono utilizzate come piezoelettrici, o i derivati del titanato di bario utilizzati nei condensatori.
Struttura cristallina e ferroelettricità
La ferroelettricità è un fenomeno in cui gli ioni all’interno della cella unitaria sono posizionati in modo asimmetrico, creando momenti di dipolo. Gli spostamenti polari degli atomi nella cella unitaria sono quindi alla base della ferroelettricità. Un materiale ferroelettrico presenta sempre una transizione di fase da ferroelettrica a parelettrica ad una data temperatura e questa temperatura è nota come punto di Curie.
Nei materiali ferroelettrici con la struttura cristallina della perovskite, come il titanato di bario e il titanato di piombo a temperature inferiori alla temperatura di Curie, gli ioni vengono leggermente spostati dall’equilibrio per creare un’asimmetria nelle densità di popolazione elettroniche che porta al momento di dipolo permanente.
Nei materiali ferroelettrici come il nitrato di sodio i dipoli sono presenti a tutte le temperature, ma sono orientati in modo casuale al di sopra della temperatura di Curie e i dipoli si allineano dopo che la temperatura è stata portata al di sotto della soglia.
polarizzazione
Sebbene le singole celle unitarie di un materiale ferroelettrico abbiano un proprio momento dipolare, in assenza di un campo elettrico esterno questi momenti non si allineano tra loro. All’interno dei singoli grani gli assi sono allineati ma nella maggior parte del campione non c’è polarizzazione netta.
A temperature sufficientemente elevate da consentire la rottura dei grani e in presenza di un campo elettrico, gli assi possono riallinearsi per adattarsi al campo. Se il materiale viene raffreddato sotto l’azione di questo campo, gli assi rimangono allineati, formando così una sostanza che ha un dipolo elettrico spontaneo osservabile
In generale per T < Tc il materiale mostra proprietà ferroelettriche, esibendo domini polarizzati separati; per T = Tc il materiale subisce una transizione da ferroelettrico a dielettrico ordinario mentre per T > Tc il il materiale mostra proprietà tipiche di un dielettrico ordinario
Applicazioni
I materiali che mostrano ferroelettricità hanno una pluralità di proprietà interessanti che mostrano una dipendenza dal campo elettrico applicato, dalla temperatura, dalla deformazione e da altri parametri. Pertanto, sono utili in numerose applicazioni tra cui condensatori, celle di memoria, sensori, attuatori e accumulatori di energia.
I materiali ferroelettrici tradizionali mostrano diverse caratteristiche importanti, come l’effetto dielettrico, la piezoelettricità, la piroelettricità, la ferroelettricità, l’effetto elettro-ottico e l’effetto acustico-ottico, che potrebbero essere utilizzati per fabbricare memoria ferroelettrica, rilevatori a infrarossi e dispositivi capacitivi.
applicazioni
La maggior parte delle applicazioni tecnologiche della piezoelettricità utilizzate si basano su materiali ferroelettrici. Infatti a causa dell’elevato effetto piezoelettrico che si può riscontrare in questi materiali, è possibile ottenere una trasformazione elettromeccanica elevata ed efficiente di energia e segnali.
In generale, la polarizzazione elettrica residua che si verifica in questi materiali può essere orientata nella direzione desiderata applicando un campo elettrico esterno: ciò significa polarizzazione, se necessario, a temperatura elevata. Diventa quindi possibile imprimere ad un dispositivo una direzione unipolare di preferenza macroscopica o anisotropia.
Pertanto possono essere utilizzati anche materiali che risultano per loro natura macroscopicamente isotropi dopo il processo produttivo come, ad esempio ceramica, plastica o compositi, che possono essere lavorati con metodi opportuni per adattare e modellare il materiale in base ai requisiti dell’uso finale.
Per le applicazioni piezoelettriche è particolarmente importante il gruppo di ceramiche basate sulla cosiddetta struttura perovskite. Questi materiali vengono già utilizzati in un ampio campo di applicazioni tecnologiche, come, ad esempio, nei condensatori e nei resistori PTC ovvero resistori il cui valore aumenta all’aumentare della temperatura, per effetto delle proprietà semi-conduttive dei materiali di cui sono costituiti.
Dal 2011 sono stati ottenuti materiali ferroelettrici in 2D il cui capostipite è stato il carburo di titanio Ti3C2 che ha aperto la strada a MXeni 2D che hanno formula generale Mn+1Xn in cui n assume valori a 1 a 3, M è un metallo di transizione e X è costituito da carbonio o azoto. Questa famiglia di materiali si è allargata a composti ternari indicati generalmente come MAX in cui A è un elemento del gruppo 13 o gruppo 14 della tavola periodica.
Questi materiali hanno una varietà di proprietà chimiche, che li rendono ampiamente utilizzati in particolare l’accumulo di energia, la depurazione dell’acqua, la catalisi, e nei materiali compositi rinforzati. Inoltre gli scienziati hanno iniziato a esplorare nuove superfici di materiali come superfici ferroelettriche e piezoelettriche contro la crescita batterica.
L’idea da cui trae spunto questa applicazione è che i materiali ferroelettrici portano con sé la polarizzazione superficiale residua dopo la polarizzazione dei materiali. Queste cariche superficiali possono influenzare direttamente le proprietà degli organismi batterici o innescare la microelettrolisi delle molecole d’acqua e produrre specie reattive dell’ossigeno (ROS). Ciò provoca un effetto deleterio sulle cellule batteriche ed inoltre i processi fotocatalitici nei materiali ferroelettrici possono essere modificati e ottimizzati per indurre reazioni elettrochimiche con i batteri.
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